9 BUUE PB Etap II 2006 PRZETWARZANIE 2007 III 01

Politechnika Radomska

Radom, ul. Malczewskiego 29

EGZEMPLARZ ROBOCZY DO PRZETWARZANIA

I AKTUALIZOWANIA ZAWARTOSCI

DLA CELOW DYDAKTYCZNYCH

Tytuł pracy:

Zabrania się kopiowania i rozpowszechniania pracy tak w całości

jak i fragmentach bez zgody prowadzącego prace

Prowadzący pracę:

Dr inż. Jerzy Szymański

Przetwarzanie:

od 2007.03.01

Ochrona przeciwporażeniowa

w instalacjach napędowych z przekształtnikami

energoelektronicznymi

-2-

SPIS TREŚCI

WST

P .................................................................................................................................... 5

1.1.

PODSTAWY FORMALNE WYKONANIA PRACY.........................................................................................................................................................5

1.2.

CEL, CHARAKTERYSTYKA I ZAKRES PRACY...............................................................................................................................................................6

OCHRONA PRZECIWPORA

ENIOWA W INSTALACJACH Z URZ

DZENIAMI

ELEKTRYCZNYMI: ................................................................................................................. 7

2.1.

OGÓLNE KRYTERIA OCHRONY PRZECIW PORAśENIOWEJ PRZED DOTYKIEM BEZPOŚREDNIM I PRZY DOTYKU
POŚREDNIM.....................................................................................................................................................................................................................................7

2.2.

ZADANIA OCHRONY PRZED DOTYKIEM BEZPOŚREDNIM.........................................................................................................................10

2.3.

OCHRONA PRZY DOTYKU POŚREDNIM...................................................................................................................................................................13

2.4.

OCHRONA PRZECIWPORAśENIOWA POŚREDNIA (DODATKOWA) REALIZOWANA POPRZEZ SAMOCZYNNE
ODŁĄCZENIE NAPIĘCIA ZASILANIA..............................................................................................................................................................................18

2.4.1.

Wyłączniki nadprądowe a skuteczność ochrony przeciwporażeniowej........................................ 18

2.4.2.

Bezpieczniki topikowe a skuteczność ochrony przeciwporażeniowej........................................... 20

2.4.3.

Zasady doboru wyłącznika nadprądowego lub wkładki bezpiecznikoweji przykładowe obliczenia.

..................................................................................................................................................... 24

2.5.

LITERATURA DO ROZDZIAŁU...........................................................................................................................................................................................29

EMC I HARMONICZNE PR

DU W INSTALACJACH Z NAP

DOWYMI PRZEMIENNIKAMI

STOTLIWO

CI............................................................................................................... 29

3.1.

OGÓLNE ZASADY BUDOWY UKŁADU NAPĘDOWEGO ZGODNEGO Z WYMOGAMI EMC...................................................29

3.1.4.

Uziemienie ................................................................................................................................... 30

3.1.5.

Ekranowanie ................................................................................................................................ 31

3.1.6.

Filtry ............................................................................................................................................ 32

3.1.7.

Dobór filtrów sieciowych ............................................................................................................. 35

3.2.

WPŁYW PARAMETRÓW SIECI ZASILANIA NA UKŁAD NAPĘDOWY.........................................................................................................36

3.2.1.

Definicje i miary jakości energii.................................................................................................. 36

3.2.2.

Główne przyczyny powstawania zniekształceń w liniach zasilających. ....................................... 37

3.2.3.

Wskaźniki charakteryzujące odkształcenia napięcia i prądu. ...................................................... 38

3.2.4.

Trójfazowy prostownik diodowy jako generator harmonicznych prądu ...................................... 46

3.2.5.

Skutki oddziaływania odkształconych przebiegów napięć i prądów sieci zasilania na pracę
układów napędowych ................................................................................................................... 48

3.3.

REALIZACJA WYMOGÓW EMC W INSTALACJACH NAPĘDOWYCH Z PRZEMIENNIKAMI NAPIĘCIOWYMI...............48

3.4.

ZGODNOŚĆ Z DYREKTYWĄ EMC 89/336/EWG.......................................................................................................................................................49

3.5.

PRZYKLADOWE ROZWI

ZANIA TECHNICZNE INSTALACJI PREMYSŁOWYCH Z

PRZEKSZTAŁTNIKAMI ........................................................................................................ 54

4.1.

BEZPIECZNA OBSŁUGA URZĄDZEŃ Z PRZEKSZTAŁTNIKAMI ENERGOELEKTRONICZNYCMI.........................................54

4.2.

WARUNKI EKSPLOATACJI I KOMPATYBILNOŚCI URZĄDZEŃ ENERGOELEKTRYCZNYCH..................................................58

-3-

4.2.6.

Warunki środowiskowe ................................................................................................................ 59

4.2.7.

Elektryczne warunki pracy i kompatybilność elektromagnetyczna .............................................. 62

4.2.8.

Zasilanie napięciem przemiennym przekształtników.................................................................... 62

4.3.

MODELE PRZEKSZTAŁTNIKÓW Z ODBIORNIKAMI..........................................................................................................................................67

4.4.

LITERUTURA DO ROZDZIAŁU..........................................................................................................................................................................................71

ZABEZPIECZANIE SILNIKÓW ZASILANYCH Z PO

REDNICH PRZEMIENNIKÓW

STOTLIWO

CI .............................................................................................................. 71

5.1.

PRZEGLĄD ZABEZPIECZEŃ OBWODÓW SILNIKOWYCH.............................................................................................................................72

5.1.1.

Zabezpieczenie przed skutkami zwarć zewnętrznych ( w przewodach zasilających )[xx ]........... 72

5.1.2.

Zabezpieczenie przed przeciążeniem............................................................................................ 77

5.1.3.

Zabezpieczenie podnapięciowe (zabezpieczenie przed głębokim zapadem napięcia lub zanikiem
napięcia i jego powrotem)............................................................................................................ 86

5.1.4.

Zabezpieczenie przed niesymetrią napięciową i prądowa ........................................................... 87

5.1.5.

Zabezpieczenie przed niewłaściwą kolejnością faz ...................................................................... 87

5.1.6.

Zabezpieczenie nadprądowe niedomiarowe................................................................................. 87

5.1.7.

Inne zabezpieczenia ..................................................................................................................... 88

5.2.

WARUNKI PRACY SILNIKÓW ZASILANYCH Z POŚREDNICH PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI...............................88

5.3.

PROBLEMY ZASILANIA I ZABEZPIECZEŃ POŚREDNICH PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI.......................................93

5.4.

PROBLEMY KOMPATYBILNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZNEJ OBWODU WYJŚCIOWEGO...................................................98

5.5.

5.PROBLEMY OCHRONY PRZECIWPORAśENIOWEJ.....................................................................................................................................101

5.6.

OCHRONA PRZECIWPORA

ENIOWA INSTALACJI NAP

DOWYCH Z NAPI

CIOWYMI

PRZEMIENNIKAMI CZ

STOTLIWO

CI............................................................................ 107

6.1.

PRACA PRZEMIENNIKA NAPIĘCIOWEGO W STANACH AWARYJNYCH............................................................................................107

6.2.

PRĄDY I NAPIĘCIA NA WEJŚCIACH I WYJŚCIACH MOCY PRZEMIENNIKA NAPIĘCIOWEGO.............................................109

6.3.

PRZEMIENNIK CZĘSTOTLIWOŚCI, A ZAGROśENIE PORAśENIEM.......................................................................................................110

6.4.

SYMULOWANIE NA STANOWISKU LABORATORYJNYM AWARYJNYCH STANÓW PRACY PRZEMIENNIKA
NAPIECIOWEGO W UKŁADZIE NAPĘDOWYM...................................................................................................................................................115

6.5.

PRZEBIEG BADAŃ SYMULACJNYCH.........................................................................................................................................................................119

6.6.

WNIOSKI Z SYMULACJI PRACY PROSTOWNIKA 3F6D JAKO OBWODU WEJŚCIOWEGO PRZEMIENNIKA
NAPIĘCIOWEGO......................................................................................................................................................................................................................122

6.7.

BEZPIECZE

STWO U

YTKOWANIA INSTALACJI PRZEMYSŁOWYCH Z

NAPI

CIOWYMI PRZEMIENNIKAMI CZ

STOTLIWO

CI W SIECIACH TN - S ............. 122

7.1.

NAPIĘCIOWY PRZEMIENNIK CZĘSTOTLIWOŚCI I SIEĆ TN-S....................................................................................................................123

7.2.

BEZPIECZNA INSTALACJA ELEKTRYCZNA............................................................................................................................................................123

7.3.

CYFROWE PRZETWARZANIE MOCY A ZAPEWNIENIE BEZPIECZEŃSTWA.....................................................................................124

-4-

7.4.

ZWARCIE DOZIEMNE SILNIKA – PĘTLA ZWARCIA...........................................................................................................................................126

7.5.

INSTALACJA ELEKTRYCZNA ZGODNA Z EMC....................................................................................................................................................127

7.6.

ZNAK CE I OBOWIĄZEK PODANIA DOKŁADNYCH ZASAD BUDOWY INSTALACJI ELEKTRYCZNEJ W DTR............128

7.7.

ZAGRO

ENIA BEZPIECZE

STWA W INSTALACJACH NAP

DOWYCH Z

NAPI

CIOWYMI PRZEMIENNIKAMI CZ

STOTLIWO

CI W SIECIACH IT..................... 129

8.1.

PRZEMIENNIKI NAPIĘCIOWE ZASILANE SIECIAMI IT...................................................................................................................................130

8.2.

NIEUZIEMIONY FILTR RFI STOPNIA POŚREDNIEGO PRZEMIENNIKA NIE OZNACZA BRAKU ZAGROśENIA
PORAśENIEM............................................................................................................................................................................................................................132

8.3.

WŁĄCZONY FILTR RFI STOPNIA POŚREDNIEGO PRZEMIENNIKA TO ZWIĘKSZONE ZAGROśENIE
PORAśENIOWE........................................................................................................................................................................................................................134

8.4.

WŁĄCZONY FILTR RFI STOPNIA POŚREDNIEGO PRZEMIENNIKA TO ZAGROśENIE USZKODZENIA
PRZEMIENNIKA PRZY DOZIEMIENIU FAZY NAPIĘCIA ZASILANIA.......................................................................................................136

8.5.

WSPÓLNA SIEĆ NAPIĘCIA STAŁEGO PRZEMIENNIKÓW NAPIĘCIOWYCH....................................................................................138

8.6.

PODSUMOWANIE..................................................................................................................................................................................................................140

8.7.

BIBIOGRAFIA UZUPEŁNIAJ

CA...................................................................................... 142

-5-

1. WSTĘP

1.1. PODSTAWY FORMALNE WYKONANIA PRACY

Podstawy formalne wykonania pracy

Praca realizowana jest w ramach działalności statutowej IST. Praca

przewidziana jest jako wieloetapowa - dwuetapowa.

Niniejsze sprawozdanie obejmuje etap II, w którym poddano analizie

zagadnienia

bezpieczeństwa

użytkowania

ochrony

przeciwporażeniowej

przemysłowych niskonapięciowych napędów z napięciowymi przemiennikami
częstotliwości, określonych szczegółowo w dalszej części opracowania, gdzie główną
część

stanowi:

określenie

podstawowych

ródeł

zwiększonego zagrożenia

porażeniowego zależnie od budowy urządzenia jak i instalacji elektrycznej oraz analiza
głównych kierunków rozwoju energoelektroniki, maszyn elektrycznych i napędów,
poprawiających bezpieczeństwo ich użytkowania.

Wprowadzenie

Notowany od wielu lat dynamiczny rozwój urządzeń energoelektronicznych jest

wspomagany w ostatnim okresie przez sterowanie komputerowe. Masowo są
produkowane urządzenia prostownikowe i falownikowe z tyrystorami klasycznymi,
tranzystorami IGBT i MOSFET oraz tyrystorami GTO.

Urządzenia energoelektroniczne służą do przekształcania energii elektrycznej

prądu stałego i przemiennego, do sterowania jej przepływem oraz do celów
łączeniowych. Zmieniają one wartość i częstotliwość napięcia, dostosowując
parametry zasilania do aktualnych potrzeb odbiorników energii elektrycznej.

Do przekształcania energii są stosowane przyrządy półprzewodnikowe np.:
-

niesterowalne (diody),

półsterowalne (tyrystory klasyczne) w których steruje się tylko ich

załączaniem, -

w pełni sterowalne (tyrystory typu GTO lub tranzystory IGBT),

pozwalające sterować ich załączaniem i wyłączaniem.

Do przekształtnika energia elektryczna jest doprowadzana zwykle z sieci

napięcia przemiennego o stałej częstotliwości (najczęściej 230/400 V) i następnie
przekształcana. Za pomocą układów prostowniczych energia może być przekształcana
na energię prądu stałego, dzięki czemu uzyskujemy korzystniejsze wskaźniki w
porównaniu z prądem przemiennym. Przemienniki prądu stałego umożliwiają
przekształcanie energii źródła prądu stałego na inne nastawiane lub regulowane źródła
energii. Układy falownikowe służą do przekształcania energii prądu stałego na energię
prądu przemiennego o stałej lub regulowanej częstotliwości i różnym napięciu.
Przemienniki prądu przemiennego są przede wszystkim przeznaczone do zmiany

-6-

częstotliwości, niekiedy z jednoczesną zmianą napięcia, gdy stosowane są w napędach
silników prądu przemiennego.

Każde urządzenie energoelektroniczne powinno być bezpieczne i nieuciążliwe

dla obsługi i otoczenia, w którym zostało zainstalowane i jest eksploatowane, zarówno
w stanie normalnej jego pracy jak i w stanach awaryjnych. Po uszkodzeniu izolacji na
częściach metalowych dostępnych dla obsługi nie powinno wystąpić napięcie
zagrażające porażeniem elektrycznym. Dobór środków chroniących urządzenia należy
prowadzić indywidualnie w zależności od topologii układu, sposobu zasilania oraz
zastosowania.

Wymagania dotyczące bezpieczeństwa urządzeń energoelektronicznych są

uzależnione od ich mocy i kwalifikacji personelu. Urządzenia większej mocy
(umownie przyjmuje się moc powyżej 5kW) są adresowane do użytkowników
przemysłowych, którzy powinni znać zasady bezpiecznej pracy. W stosunku do
urządzeń energoelektronicznych mniejszej mocy, przewidywanych do stosowania
przez personel niewykwalifikowany, wymagania w zakresie bezpieczeństwa powinny
być zaostrzone. Ochrona przeciwporażeniowa dla obsługi oraz użytkowników
urządzeń i instalacji elektrycznych powinna być realizowana w taki sposób, aby w
przypadku różnorodnych uszkodzeń urządzeń i instalacji oraz błędnych działań i
zachowań ludzi następowało:

niedopuszczenie

przepływu

przez

ciało

człowieka

prądu

powodującego porażenie;

ograniczenie prądu rażeniowego;

ograniczenie czasu przepływu prądu rażeniowego dzięki szybkiemu

wyłączeniu obwodu, w którym nastąpiło zagrożenie porażeniem.

Każde wyprodukowane urządzenie energoelektroniczne powinno spełniać

określone wymagania co do parametrów znamionowych. Muszą też być spełnione
zasady (ujęte w normach ogólnych) obowiązujące przy konstruowaniu urządzeń
elektrycznych i elektronicznych. Praktyka wykazuje, że zagadnienia związane z
bezpieczeństwem i kompatybilnością należy rozpatrywać w okresie rozpoczynania
opracowań nowych urządzeń. Dopasowanie wykonanych układów do wymagań
bezpiecznej pracy urządzeń prowadzi do bardzo kosztownych rozwiązań.

W etapie pierwszym omówiono ogólne zagadnienia dotyczące ochrony

przeciwporażeniowej przemysłowych energoelektronicznych odbiorników energii
wynikające z dostępnej literatury i norm. Celem obecnego, drugiego etapu pracy jest
przedstawienie wybranych, istotnych dla zapewnienia niezawodności i bezpieczeństwa,
zagadnień budowy instalacji z energoelektronicznymi układami napędowymi
zasilanymi z sieci TN-S jak i IT, ze szczególnym uwzględnieniem zagrożeń
wynikających z ich topologii i rodzajów wytwarzanych zaburzeń. Analizę teoretyczną
poparto badaniami symulacyjnymi i pomiarami.

1.2. CEL, CHARAKTERYSTYKA I ZAKRES PRACY

Celem pracy:

Ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach

napędowych

przekształtnikami

energoelektronicznymi

jest

-7-

opracowanie koncepcji i wykonanie badań symulacyjnych określających własności
instalacji zasilania przemienników częstotliwości w układach napędowych w aspekcie
bezpieczeństwa eksploatacyjnego. Analizowana jest zarówno sieć TN, jak i IT.
Zasilanie niskim napięciem, napięcie fazowe do 0,6kV, jest powszechnie stosowane w
napędach przemysłowych z silnikami małych i średnich mocy. Zagadnienia właściwie
realizowanej ochrony przeciwporażeniowej mają w tych aplikacjach podstawowe
znaczenie. Jednak bezpieczeństwo eksploatacyjne jest tu rozumiane także jako
działania techniczne nie prowadzące do nieuzasadnionych wyłączeń napędu i nie
powodujące uszkodzeń wewnętrznych przekształtników.

Przy czym przemiennik częstotliwości powinien charakteryzować się

maksymalnie dużą sprawnością w całym zakresie regulacji częstotliwości i pobierać z
sieci jedynie moc czynną.

Poszukiwane są możliwości ograniczenia oddziaływania przemienników

częstotliwości na sieć zasilania wywołujące niewłaściwą pracę technicznych środków
ochrony przeciwporażeniowej i współprace z nimi silnik. (I etap pracy). Analiza
stanów pracy awaryjnej i bezpieczeństwa eksploatacyjnego instalacji napędowych z
przemiennikami napięciowymi (II etap).

2. OCHRONA PRZECIWPORAśENIOWA W INSTALACJACH

Z URZĄDZENIAMI ELEKTRYCZNYMI:

Aktualna sytuacja prawna z komentarzem do obowi

zuj

cych norm

technicznych.

Techniczne

organizacyjne

rodki

ochrony

przeciwpora

eniowej w ró

nych systemach zasilania

2.1. OGÓLNE

KRYTERIA

OCHRONY

PRZECIW

PORAśENIOWEJ PRZED DOTYKIEM BEZPOŚREDNIM I PRZY
DOTYKU POŚREDNIM.

Przyczyny zagro

enia pora

eniem elektrycznym i sposoby zapobiegania tym

zagro

eniom.

Prąd elektryczny przepływający przez ciało człowieka lub zwierzęcia, zwany

prądem rażeniowym, może wywołać skutki patofizjologiczne groźne dla zdrowia, a
nawet życia rażonego.

Przyczyną przepływu prądu rażeniowego jest dotknięcie przez rażonego dwóch

części przewodzących o różnych potencjałach. Zwykle są to: części urządzenia
elektrycznego i część przewodząca obca mająca potencjał ziemi.

Rozróżnia się przy tym dwie sytuacje:

•

dotknięcie przez człowieka (zwierzę) części czynnej urządzenia elektrycznego,
która znajduje się pod napięciem roboczym sieci (przyczyna zwana dotykiem
bezpośrednim),

•

dotknięcie przez człowieka (zwierzę) części przewodzącej dostępnej, która
znalazła się pod napięciem, zwanym napięciem dotykowym, w wyniku

-8-

uszkodzenia izolacji urządzenia elektrycznego (przyczyna zwana dotykiem
pośrednim).

Aby zapobiec porażeniom elektrycznym w instalacjach elektrycznych stosuje

się środki ochrony przeciwporażeniowej. Wymagane rozwiązania techniczne tych
ś

rodków zależą od stopnia zagrożenia porażeniowego.

Stopień zagrożenia porażenia elektrycznego zależy od:
prawdopodobieństwa znalezienia się człowieka pod napięciem, w wyniku

którego nastąpi rażenie.

parametrów prądu rażeniowego.
W praktyce przyjmuje się, że na dobór środków ochrony przeciwporażeniowej

mają wpływ:

•

sposób użytkowania odbiorników elektrycznych,

•

kwalifikacje osób użytkujących instalacje i urządzenia elektryczne,

•

styczność ludzi z potencjałem ziemi,

•

rezystancja ciała człowieka.

Zale

nie od rodzaju i sposobu u

ytkowania odbiornika elektrycznego mo

stosowa

zarówno techniczne jak i/lub organizacyjne

rodki ochrony

przeciwpora

eniowej.

-9-

Wymagania obowi

zuj

cej obecnie normy PN-IEC 60364 oraz innych aktów

prawnych dotycz

ce zasad stosowania

rodków ochrony przeciwpo

arowej

oparte zostały na strukturze trójstopniowej.

OCHRONA PRZED DOTYKIEM BEZPOŚREDNIM

(OCHRONA PODSTAWOWA)

Uszkodzenie izolacji przewodu:

Części czynne do stępne dla dotyku:

Uszkodzenie trudne do rozpoznania

Uszkodzenie łatwe do rozpoznania

OCHRONA PRZY DOTYKU POŚREDNIM

(OCHRONA DODATKOWA)

Środki ochrony przy dotyku

pośrednim (techniczne środki ochrony)

Staranna praca w pobliżu części

czynnych (orranizacyjne środki ochrony)

Niebezpiecze

stwo przy uszkodzeniu

rodka

ochrony

Niebezpiecze

stwo przy nieuwadze

OCHRONA UZUPEŁNIAJĄCA

Wył

cznik ró

nicowopr

dowy I

∆

? 30mA

Poł

czenia wyrównawcze

Rys.2.1. Zasada

realizacji

trójstopniowej

ochrony

przeciwpora

eniowej

instalacjach

elektrycznych niskiego napi

cia[1].

Trójstopniową strukturę ochrony przeciwpożarowej tworzą:
- ochrona przed dotykiem bezpośrednim (ochrona podstawowa),
- ochrona przy (przed) dotyku pośrednim (ochrona dodatkowa),
- ochrona uzupełniająca ochronę bezpośrednią lub pośrednią.

-10-

Ochrona uzupełniająca środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim nie jest
obowiązkowa i może polegać na zastosowaniu wysokoczułego wyłącznika
różnicowoprądowego.
Nie może on być samodzielnym środkiem ochrony przed dotykiem, gdyż nie
spełnia wymagań stawianych takiej ochronie (nie zapobiega dotknięciu części
czynnych i nie ogranicza prądu rażeniowego), ale skutecznie może wyłączać
zasilanie, gdy człowiek dotknie części czynnej lub obcej przewodzącej na której
pojawiło się napięcie wyższe niż dopuszczane długotrwale wskutek uszkodzenia
odbiornika.
Taki środek uzupełniający zaleca się stosować tylko wtedy, gdy dotknięcie części
czynnych jest prawdopodobne (np. przy pracach remontowych lub pracach w
pobliżu nieosłoniętych części czynnych).
Stosowanie takiego środka ochrony nie powinno powodować wyłączania
urządzenia przy wystąpieniu innych zdarzeń nie związanych z ochroną
przeciwporażeniową, bez sygnalizowania przyczyny wyłączenia (np. przy
stosowaniu wysokoczułych wyłączników różnicowoprądowych typu AC lub A w
obwodach zasilania odbiorników energoelektronicznych).

Ochrona uzupełniająca środki ochrony przy dotyku pośrednim może być
stosowana, gdy właściwe środki ochrony przy dotyku pośrednim nie zapewniają
pełnej ochrony. Środkiem takiej ochrony przeciwpożarowej są np. połączenia
wyrównawcze (wyrównujące potencjały części, których może jednocześnie dotknąć
człowiek). Połączenia wyrównawcze nie mogą samodzielnie stanowić środka
ochrony przy dotyku pośrednim, gdyż nie spełniają wymagań stawianych takim
ś

rodkom.

2.2. ZADANIA

OCHRONY

PRZED

DOTYKIEM

BEZPOŚREDNIM

Dla zabezpieczenia ludzi przed skutkami dotyku bezpośredniego wymagane jest

stosowanie ochrony w postaci odpowiednich środków technicznych.

Ochrona przed dotykiem bezpośrednim spełnia swoje zadania, jeżeli:

•

uniemożliwia przepływ prądu elektrycznego przez ciało człowieka
(uniemożliwia dotknięcie takich części), gdy instalacja pracuje normalnie
(nie jest uszkodzona) lub

•

ogranicza wartość prądu rażeniowego do wartości nie stwarzającej
zagrożenia dla zdrowia lub życia, gdy w warunkach normalnej pracy
instalacji człowiek może dotknąć części czynnej.

-11-

Zasady i ogólne kryteria skuteczności ochrony uniemożliwiającej dotyk
bezpośredni.

Uniemożliwienie przepływu prądu przez ciało człowieka jest sposobem

ochrony przed dotykiem bezpośrednim wszędzie tam, gdzie dla zasilania
odbiorników elektrycznych nie jest możliwe zastosowanie sieci i instalacji o
napięciu znamionowym nie stwarzającym zagrożenia zdrowia lub życia. Dla
realizacji tego celu wymaga się stosowania środków technicznych oddzielających
części czynne od człowieka. Oddzielenie to powinno zapobiegać zarówno
niezamierzonemu, jak i zamierzonemu dotykowi bezpośredniemu.

Od tej zasady dopuszcza się odstępstwa w miejscach wydzielonych dla

celów elektroenergetycznych, tzn. w miejscach, w których przebywać mogą jedynie
osoby posiadające odpowiednie kwalifikacje i spełnione są dodatkowe wymagania.
W takich miejscach dopuszcza się stosowanie technicznych środków ochrony przed
dotykiem bezpośrednim jedynie uniemożliwiających dotyk niezamierzony.

Ochrona zarówno przed niezamierzonym, jak i zamierzonym dotknięciem

części czynnych realizowana jest przez zastosowanie izolacji podstawowej lub/i
zastosowanie obudowy lub ogrodzenia części czynnych (obudowę i ogrodzenie można
określić jednym, bardziej ogólnym terminem - przegroda).

Izolacja podstawowa powinna obejmować całą dostępną powierzchnie

części czynnej, mieć odpowiednią do napięcia znamionowego urządzenia
wytrzymałość elektryczną i odporność na narażenia środowiskowe występujące w
miejscu eksploatacji urządzenia. Usunięcie takiej izolacji może być możliwe tylko
przez jej zniszczenie.

Obudowy i ogrodzenia (przegrody) powinny być oddalone do części

czynnych odpowiednio do napięcia znamionowego urządzenia i rodzaju zastosowanej
izolacji roboczej. Powinny zapewniać stopień ochrony przed dotykiem zależny od
prawdopodobieństwa takiego zdarzenia. Zwykle wymaga się, aby obudowa lub
ogrodzenie uniemożliwiały dotknięcie części czynnych palcem (stopień ochrony, co
najmniej IP2X). Gdy wymagają tego normalne procesy wymiany części lub łączenia
bezprądowego (np. wymiana bezpiecznika, wymiana źródła światła, łączenie przez
gniazdko wtykowe), dopuszczony jest niższy stopień ochrony, ustalony dla właściwego
funkcjonowania urządzenia w normie na wyrób. Obudowy, które chronią przed
dotykiem części czynnych od góry, powinny mieć stopień ochrony uniemożliwiający
dotknięcie części czynnych za pośrednictwem drutu (stopień, co najmniej IP4X).

Obudowy i ogrodzenia stosowane dla celów ochrony przed dotykiem

bezpośrednim powinny być trwale zamocowane, mieć dostateczną stabilność i
trwałość, zapobiegającą utrzymanie wymaganego stopnia ochrony w warunkach, w
których są one eksploatowane. Usunięcie części lub całej przegrody powinno być
możliwe tylko przy zastosowaniu specjalnych narzędzi lub po dodatkowym osłonięciu
części czynnych albo po wyłączeniu napięcia.

Ochrona zapobiegająca jedynie niezamierzonemu dotknięciu części

czynnych jest realizowana przez zastosowanie środków technicznych w postaci barier
(poprawniej - przeszkód) lub umieszczenia części czynnych w odpowiedniej odległości
(w różnych kierunkach) od dostępnych stanowisk.

-12-

W pierwszym przypadku wymagania powinny ograniczać się do podania

wysokości przeszkód i konieczności zastosowania zabezpieczeń uniemożliwiających
niezamierzone ich usunięcie. W drugim przypadku podawane są minimalne odległości
od dostępnych stanowisk. Wynoszą one dla drogi ręka-stopy: 1,25 m w poziomie i w
dół od brzegu stanowiska, 2,5 m w górę od stanowiska i 0,75 m poziomo pod
stanowiskiem, (jeżeli takie możliwości występują). Dla drogi rażenia ręka-ręka
odległość ta wynosi 2 m.

Ochrona taka ma ograniczony zakres stosowania. Stosować ją można [2,4,5]

jedynie w miejscach, w których przebywają tylko osoby poinstruowane (BA4) lub
wykwalifikowane (BA5) i jeżeli jednocześnie w miejscach tych spełnione są
następujące warunki:

•

napięcie znamionowe urządzeń nie przekracza II zakresu napięciowego,

•

zachowane są minimalne wymiary korytarzy nadzoru i korytarzy obsługi oraz
dostęp do tych korytarzy,

•

zastosowano przejrzyste i widoczne oznakowania odpowiednimi tablicami i
znakami bezpieczeństwa.

Zasady i ogólne kryteria skuteczno

ci ochrony ograniczaj

cej warto

ść

eniowego przy dotyku bezpo

rednim.

Ochrona ograniczająca wartość prądu rażeniowego do wartości uznanej za

dopuszczalną może być realizowana jedynie przez ograniczenie napięcia
znamionowego urządzeń elektrycznych przy jednoczesnym spełnieniu wymagań
dodatkowych prowadzących do pewnego odseparowania obwodów bardzo niskiego
napięcia od obwodów wyższych napięć. Zakres ograniczenia napięcia powinien przy
tym zależeć od warunków środowiskowych wpływających na stopień zagrożenia
pożarowego. Ochrona taka wymaga stosowania napięć prądu przemiennego 25 V, 12
V, lub 6 V lub napięć prądu stałego 60 V, 30 V lub 15 V.

Przypadki, w których dopuszcza si

niestosowanie ochrony przed dotykiem

bezpo

rednim.

Dopuszcza się stosowanie technicznych środków ochrony przed dotykiem

bezpośrednim, jeżeli urządzenia elektryczne są dostępne jedynie dla osób
poinstruowanych (BA4) lub wykwalifikowanych (BA5), należycie zaznajomionych w
zakresie szczegółowych wymagań i jeżeli jednocześnie są spełniane następujące
warunki:

- miejsca te są w sposób przejrzysty i widoczny oznakowane odpowiednimi

tablicami i znakami bezpieczeństwa,

- dostęp do tych miejsc jest możliwy tylko przy użyciu specjalnych narzędzi

lub urządzeń,

- drzwi wejściowe do zamykanych pomieszczeń ruchu elektrycznego

umożliwiają łatwe wyjście na zewnątrz i otwierają się na zewnątrz bez użycia
klucza, nawet, jeżeli są one zamykane na klucz,

- wymiary korytarzy spełniają wymagania normy PN-IEC 364-4-481 [3].

-13-

2.3. OCHRONA PRZY DOTYKU POŚREDNIM

Ogólne kryteria skuteczności ochrony przy dotyku pośrednim.

Dla zabezpieczenia ludzi przed skutkiem dotyku pośredniego powinny być

stosowane środki techniczne, które:

•

powodują samoczynne odłączenie zasilania w wymaganym czasie, gdy prąd
rażeniowy przekracza wartość przyjętą za dopuszczalną długotrwale (AC-
30mA),

•

uniemożliwiają

przepływ

prądu

rażeniowego

przy

dotyku

części

przewodzących dostępnych i obcych lub

•

ograniczają przy dotyku pośrednim prąd rażeniowy do wartości przyjętej za
dopuszczalną długotrwale.

Zasady i kryteria skuteczności ochrony przez samoczynne wyłączenie

zasilania.

Najczęściej stosowaną ochroną przed dotykiem pośrednim jest ochrona przez

samoczynne wyłączanie zasilania. Polega ona na połączeniu części przewodzących
dostępnych z przewodem ochronnym PE dla stworzenia pętli zwarcia o impedancji
skoordynowanej z charakterystyką zwarciową zabezpieczenia uszkodzonego obwodu
(obwodu, w którym powstało zagrożenie). Ochrona przez samoczynne włączanie
zasilania wymaga, więc skoordynowanego typu układu sieciowego (systemu
stosowanych w sieci uziemień), zakresu zastosowania i parametrów przewodów
ochronnych oraz niektórych uziemień z zastosowanymi zabezpieczeniami obwodu
uszkodzonego. Ale nie jest to warunek wystarczający, aby uznać ochronę za skuteczną.
Norma PN-IEC 60364-4-41 wymaga, aby ochrona przez samoczynne wyłączanie
zasilania spełnia wymagania dotyczące:

•

wyłączanie zasilania,

•

uziemień przewidzianych dla rozpatrywanego typu układu sieciowego,

•

połączeń wyrównawczych.

Samoczynne wyłączanie zasilania obwodu, w którym powstało uszkodzenie

izolacji między częścią czynną i częścią przewodzącą dostępną lub przewodem
ochronnym tego obwodu, powinno nastąpić, gdy napięcie między tymi częściami a
stanowiskiem w odległości poziomej równej 1 m, zwanym napięciem dotykowym,
przekroczy wartość dopuszczalną długotrwale U

. Czas samoczynnego wyłączania

powinien być tym krótszy, im napięcie dotykowe jest większe, tzn. im napięcie
dotykowe jest większe od wartości U

. W warunkach normalnego zagrożenia

porażeniowego U

wynosi 50 V a.c. lub 120 V d.c. w warunkach zwiększonego

zagrożenia porażeniowego ( w warunkach, w których instalacje powinny spełniać

-14-

wymagania części 7 normy PN-IEC 60364, napięcia U

mogą mieć wartość 25 V a.c.

lub 60 V a.c., a nawet 12 V a.c. lub 30 V d.c.).

TN-S

TN-C

TN-C-S

PEN

Rys.2.2. Schematy stosowanych układów sieci TN (TN-C; TN-S; TN-C-S), TT oraz IT.

L1, L2, L3 – przewody fazowe; N – przewód neutralny; PE – przewód ochronny; PEN –
przewód ochronno-neutralny; Z – impedancja; lini

przerywan

oznaczono dost

pne

ęś

ci przewodz

ce obudowy.

-15-

Najdłuższe czasy samoczynnego wyłączania zasilania uszkodzonego obwodu są

również uzależnione od: typu sieci rys.2.2, napięcia znamionowego sieci, sposobu
użytkowania urządzeń i wartości U

W układzie TN maksymalne czasy wyłączania obwodów odbiorczych,

zasilających bezpośrednio lub za pośrednictwem gniazd wtyczkowych urządzenia I
klasy ochronności (izolacja obudowy jedynie podstawowa dołączona do zacisku PEN -
sieć TN-C lub PE - sieć TN-S) ręczne lub przenośne do ręcznego przemieszczania w
czasie ich obsługi zestawiono w tab. 2.1.

Tab.2.1. Maksymalne czasy wył

czania obwodów zasilaj

cych urz

dzenia I klasy,

czne lub przeno

nych do r

cznego przemieszczania w czasie obsługi,

zasilanych z obwodu pracuj

cego w układzie TN.

Maksymalny czas wyłączania (s)

Napięcie znamionowe obwodu
względem ziemi U

(V)

= 50 V

= 25 V

120

0,8

0,35

230

0,4

0,20

277

0,4

0,20

400

0,2

0,05

400, 480

0,1

0,05

580

0,1

0,02

Jeżeli nie można zapewnić takiego czasu wyłączania, konieczne jest zastosowanie innych środków ochrony ( np.

połączeń wyrównawczych)

Dopuszcza się, aby czasy samoczynnego wyłączania zasilania były dłuższe od

podanych w tab. 2.1., lecz nie przekraczały 5 s w obwodach:

•

rozdzielczych,

•

odbiorczych zasilających urządzenia stacjonarne, jeżeli inne obwody
odbiorcze, dla których czas wyłączania podano w tab. 1., są przyłączone do
wspólnej rozdzielnicy w sposób spełniający jeden z następujących warunków:

impedancja obwodu między rozdzielnicą i punktem, w którym przewód
ochronny jest przyłączony do górnej szyny uziemiającej, nie przekracza
wartości podanej w RN-60364-4-41 [2] (spadek napięcia nie przekracza
wartości U

) lub

w rozdzielnicy znajdują się połączenia wyrównawcze miejscowe,
przyłączone do tych samych części przewodzących obcych, co
połączenia wyrównawcze główne.

Jeżeli z rozdzielnicy zasilane są obwody odbiorcze odbiorników stacjonarnych

i odbiorników ręcznych i podobnych oraz nie można spełnić wymagań zaznaczonych
wyżej kropkami, to dla odbiorników stacjonarnych należy zastosować czas wyłączenia
zasilania taki sam, jak dla odbiorników ręcznych.

Dla uzyskania wymaganego czasu wyłączania konieczne jest spełnianie

warunku:

x I

≤

[ 2.1 ]

-16-

w którym:
Z

impedancja obwodu zwarcia jednofazowego, w Ω,

prąd wyłączający (powodujący samoczynne wyłączanie zasilania w

wymaganym czasie), w [A],

napięcie znamionowe względem ziemi, w [V].

W układzie TT maksymalny czas samoczynnego wyłączania zasilania wynosi

5 s przy stosowaniu bezpieczników lub czas zadziałania zabezpieczenia
bezzwłocznego.

Dla uzyskania wymaganego czasu samoczynnego wyłączania zasilania

konieczne jest spełnienie warunku:

x I

≤

[ 2.2 ]

w którym:
R

– rezystancja bezpośredniego uziemienia części przewodzącej dostępnej

stwarzającej zagrożenie, w Ω

– prąd wyłączający, w A,

- największe dopuszczalne długotrwale napięcie dotykowe, w V.

W układzie IT, przy pojedynczym zwarciu z ziemią, ze względu na małą

wartość prądu doziemnego, zwykle napięcie dotykowe nie przekracza wartości
dopuszczalnej długotrwale U

. Aby być pewnym, że tak będzie, zawsze wystarczy

spełnić warunek (2.2), przy czym obliczana rezystancja R

dla układu IT jest znacznie

większa od obliczanej dla układu TT. Ten warunek jest w rzeczywistości
wystarczający, jeżeli nie dopuści się do powstania zwarcia podwójnego (np. poprzez
zwarcie pojedyncze będzie sygnalizowane i w możliwie krótkim czasie wyłączone).
Jeżeli możliwe jest wystąpienie zwarcia podwójnego, wymagane jest samoczynne
wyłączenie zasilania obwodu zwarciowego w czasie odczytanym z tab. 2.2.

Tab.2.2. Maksymalne czasy samoczynnego wył

czania zasilania obwodów zwar

podwójnych w układach IT

Maksymalny czas włączania (s)

w sieci bez przewodu neutralnego

w sieci z przewodem neutralnym

(V)

= 50 V

= 25 V

= 50 V

= 25 V

120/240

0,8

0,4

5,0

1,0

230/400

0,4

0,2

0,8

0,5

400/690

0,2

0,06

0,4

0,2

580/1000

0,1

0,02

0,2

0,08

Jeżeli nie można zapewnić takiego czasu wyłączania, konieczne jest zastosowanie innych środków ochrony, np. połączeń

wyrównawczych. U

– napięcie fazowe, U – napięcie międzyfazowe.

Dla uzyskania wymaganego czasu samoczynnego wyłączenia zasilania przy

zwarciach podwójnych należy spełnić warunki:

jeżeli nie jest stosowany przewód neutralny

-17-

⋅

≤

[ 2.3 ]

jeżeli jest stosowany przewód neutralny

⋅

≤

[ 2.4 ]

w których: U

i I

oznacza, jak we wzorach [2.1] i [2.2], napięcie względem

ziemi i prąd wyłączający, a Z

– impedancja nie całego obwodu zwarcia podwójnego,

a jedynie impedancja części tego obwodu obejmująca odpowiednio przewód fazowy i
przewód ochronny obwodu lub przewód neutralny i ochronny obwodu.

Wykonanie uziemień, niezbędnych dla pozytywnej oceny ochrony przez

samoczynne wyłączanie zasilania, powinno doprowadzić do sytuacji, w której
wszystkie części przewodzące dostępne będą miały potencjał zbliżony do potencjału
ziemi. Dlatego dostępne części przewodzące powinny być połączone uziemionym
przewodem ochronnym PE w sposób określony dla każdego typu układu sieciowego.
Rozróżnia się przy tym dwa typy uziemień, oznaczonych symbolami R

i R

Uziemienia R

(uziemienia punktów neutralnych sieci i przewodów PEN oraz PE w

sieci typu TN) nie są elementami właściwego obwodu zwarciowego, a służą głównie
do przeniesienia potencjału ziemi na przewody PE zarówno w warunkach normalnej
pracy urządzeń elektrycznych, jak i przy uszkodzeniu ich izolacji. Wyjątkiem od tej
reguły jest uziemienie punktu neutralnego oznaczone R

w układzie TT oraz

uziemienie tego punktu w układzie TN, gdy wystąpi zwarcie doziemne z pominięciem
przewodu PEN lub PE. Uziemiony R

(uziemienia bezpośrednie części

przewodzących dostępnych) są elementami obwodu zwarciowego w sieciach
(obwodach) TT i IT przy pojedynczych uszkodzeniach izolacji i ich rezystancja musi
być ograniczona w stopniu pozwalającym zabezpieczeniom obwodu wyłączać
samoczynnie zasilanie w wymaganym czasie.

Uziemienia przewodów PEN i PE w sieciach typu TN powinny być

wykonywane możliwie często, szczególnie gdy nie wymaga to ponoszenia znacznych
kosztów.

Stosowanie połączeń wyrównawczych ma na celu zmniejszyć różnice

potencjałów między różnymi częściami obcymi i przewodem ochronnym w całych
budynkach oraz dodatkowo w niektórych ich częściach, a także ograniczyć napięcia
dotykowe jeżeli przekraczają wartości dopuszczalne długotrwale i nie można wyłączyć
w wymaganym czasie odbiorników powodujących ich powstanie. Taką sytuację mogą
wywołać

prądy

upływu

pojemnościowego

pracujących

urządzeń

energoelektronicznych mocy, np. energoelektroniczne przemienniki częstotliwości w
napędach silników klatkowych.

Omówienie znaczenia i wymagań stawianych połączeniom wyrównawczym

powinno być omówione oddzielnie, gdyż jest to temat obszerny.

-18-

Ochrona uniemożliwiająca przepływ prądu rażeniowego przy dotyku

pośrednim.

Ochrona polegająca na uniemożliwieniu przepływu prądu rażeniowego przy

dotyku części przewodzących dostępnych polega w praktyce na doprowadzaniu do
znacznego zmniejszenia prawdopodobieństwa uszkodzenia izolacji między częściami
czynnymi i częściami przewodzącymi dostępnymi. Uzyskuje się to głównie przez
zwiększenie wytrzymałości elektrycznej i mechanicznej tej izolacji oraz przez
odseparowanie obwodów i urządzeń odbiorczych od innych obwodów, z których
mogłyby być przeniesione niebezpieczne napięcie. Są techniczne środki stosowane
ochrony dla pojedynczych urządzeń i obwodów, choć zapewniają wysoki stopień
bezpieczeństwa elektrycznego, zastosowanie ich w całej sieci byłoby kosztowne.

Ochrona przez ograniczanie prądu rażeniowego przy dotyku pośrednim polega

na wtrąceniu w spodziewany obwód rażeniowy dodatkowych rezystancji i ewentualnie
wyrównanie potencjałów, gdy zagrożenie wystąpi na innej od spodziewanej drogi
rażenia. Zwykle rezystancją taką jest dodatkowa rezystancja stanowiska, łączy się ją
połączeniami wyrównawczymi części jednocześnie dostępne na drodze ręka-ręka.
Powierzchnie stanowiące dodatkowe rezystancje muszą spełniać wymagania dotyczące
ich wartości przez cały czas stosowania (50kΩ w instalacjach o fazowym napięciu
znamionowym nie przekraczającym 500V i 100kΩ w instalacjach o napięciu powyżej
500V).

Ochrona przez ograniczenie prądów rażeniowych stosowana jest tylko w

ograniczonym zakresie, gdyż dopuszcza ona do powstania napięcia U

i nie likwiduje

tego napięcia, a uzyskanie trwałości parametrów elektrycznych i mechanicznych
powierzchni, które mają zachować wysoką rezystancję jest często trudne w praktyce.
Napięcie pomiędzy izolowanym stanowiskiem a uziomem może być znaczącą wartość,
dlatego należy zachować szczególną ostrożność przy wchodzeniu lub opuszczaniu
takiego stanowiska przez pracownika.

2.4. OCHRONA

PRZECIWPORAśENIOWA

POŚREDNIA

(DODATKOWA) REALIZOWANA POPRZEZ SAMOCZYNNE
ODŁĄCZENIE NAPIĘCIA ZASILANIA.

2.4.1. W

YŁĄCZNIKI

NADPRĄDOWE

SKUTECZNOŚĆ

OCHRONY

PRZECIWPORAśENIOWEJ

W instalacjach elektrycznych w przypadku pojawienia się na obudowie

urządzenia napięcia mogącego doprowadzić do porażenia prądem elektrycznym, tj.
wyższego od dopuszczalnego długotrwale napięcia dotykowego U

, mamy do

czynienia ze zwarciem o pomijalnej impedancji pomiędzy przewodem fazowym a
przewodem ochronnym lub obudową. Z takim przypadkiem możemy mieć do
czynienia w dowolnym miejscu instalacji. Płynący na skutek zwarcia prąd musi spełnić
warunek samoczynnego wyłączenia napięcia w odpowiednim czasie. Do wyłączenia
prądów zwarciowych służą między innymi, popularne elektromagnetyczne wyłączniki

-19-

instalacyjne natychmiastowego działania typu S300, S310, S320 produkcji Legrand
FAEL [3].

Charakterystyki czasowo-prądowe wyłączników nadprądowych.
Aby

nastąpiło

samoczynne

wyłączenie

zasilania

przez

urządzenie

przetężeniowe (S300, S310, S320), ich charakterystyki działania muszą być właściwie
dobrane na etapie projektowym. Dotyczy to szczególnie wartości prądów zadziałania
wyzwalaczy bezzwłocznych. Dobranie do instalacji aparatu nadprądowego wiąże się
ś

ciśle z jego charakterystyką czasowo-prądową. Na podstawie ww. charakterystyk

można określić współczynnik stosowany przy sprawdzeniu skuteczności działania
zastosowanego zabezpieczenia bezzwłocznego w instalacji.

Tab.2.3. Wymagania stawiane wyzwalaczom wył

czników nadpr

dowych

przez PN-IEC 60898.

P
r
ó
b
a

Typ
wyłącznika

Prąd
probierczy

Warunki
początkowe

Granice czasu
zadziałania
lub niezadziałania

Wynik
próby

Uwagi

B,C,D

1,13 I

stan zimny

t ≥ 1 h (dla I

≤ 63A)

t ≥ 2 h (dla I

> 63A)

bez zadziałania

B,C,D

1,45 I

bezpośrednio
po próbie 1

t ≥ 1 h (dla I

≤ 63A)

t ≥ 2 h (dla I

> 63A)

zadziałanie

prąd zwiększany
płynnie przez 5s

B,C,D

2,55 I

stan zimny

1 s < t < 60 s
(dla I

≤ 32A)

1 s < t < 120 s
(dla I

> 32A)

zadziałanie

B
C
D

3 I

5 I

10 I

stan zimny

t ≥ 0,1 s

bez zadziałania

prąd płynący po
zamknięciu obwodu
łącznikiem
pomocniczym

B
C
D

5 I

10 I

20 I

stan zimny

t < 0,1 s

zadziałanie

prąd płynący po
zamknięciu obwodu
łącznikiem
pomocniczym

Na rys. 2.3 przedstawiono przykładowe charakterystyki prądowo czasowe

wyłączników nadprądowych natychmiastowego działania. Oś A przedstawia czas
zadziałania wyłącznika przy określonej krotności prądu nominalnego przepływającego
przez wyłącznik przedstawionego na osi B. Natychmiastowe zadziałanie wyłącznika
nastąpi odpowiednio przy prądach ok. 19I

i 23I

. Są to wyłączniki innego rodzaju,

wykonane nie wg normy PN-IEC 60898, tab. 2.3. Są to charakterystyki wyłączników
typu D.

-20-

10000

1000

100

0,1

0,01

0,001

0,8

4 6

40 60 100

10000

1000

100

0,1

0,01

0,8 1

3 4 5 7 10

20 30

50 70 100

Rys.2.3. Wykresy przedstawiaj

charakterystyki wyzwalania wył

czników nadpr

dowych, które

na stosowa

do zabezpieczenia silników.

Norma PN-IEC 60898 nie jest wprowadzona odpowiednim aktem prawnym do obowiązkowego stosowania,
dlatego można także stosować wyłączniki o innych charakterystykach, jeśli zapewniają skuteczniejszą
ochronę niż wykonane zgodnie z cytowaną normą.

Rodzaje i dobór wyłącznika nadprądowego.
Podstawę odniesienia w tym przypadku stanowi norma PN-IEC 60898

(tab. 2.3), która w przedstawia zależności czasowo-prądowe wyzwalaczy zwłocznych i
bezzwłocznych wyłączników nadprądowych, wykonanych na prądy do 125A.
Informacje zawarte w tab. 2.3 dotyczą wyłączników nadprądowych o dwóch rodzajach
wyzwalaczy. Pierwszy z nich jest rodzajem wyzwalacza przeciążeniowego, tzw.
zwłocznego, wykorzystującego w działaniu fizyczne właściwości bimetalu. Drugi
należy do wyzwalaczy zwarciowych, bezzwłocznych, opartych na pracy
elektromagnesu. Na podstawie danych z tabeli można wykreślić przebieg
charakterystyki czasowo-prądowej pasmowej wyłączników. Przy doborze wyłącznika
natychmiastowego działania B, C lub D należy kierować się zasadą, aby przy
wystąpieniu prądu zwarciowego, impedancja zwarciowa umożliwiła przepływ prądu
zwarciowego o maksymalnej wartości zapewniającej natychmiastowe zadziałanie
wyłącznika (tj. poniżej 0.1s). Dla wyłącznika typu D stosowanego przy zasilaniu
silników większych mocy o ciężkim rozruchu prąd zwarciowy umożliwiający jego
natychmiastowe zadziałanie będzie miał wartość 20xI

2.4.2. B

EZPIECZNIKI

TOPIKOWE

SKUTECZNOŚĆ

OCHRONY

PRZECIWPORAśENIOWEJ

Charakterystykę wyłączania bezpiecznika opisują zależności między szybkością

wyłączania a wartością prądu. Są tu dwie podstawowe grupy: bezpieczniki szybkie i
zwłoczne. Wersję szybką stosuje się w szczególnych przypadkach, gdy prąd trzeba
przerwać jak najszybciej, np. na wejściu przyrządów pomiarowych, urządzeń
energoelektronicznych. Są one czasem niezbędne ze względów bezpieczeństwa.
Pojęcie szybkiego działania bezpiecznika topikowego należy rozumieć w ten sposób,

-21-

e przepalenie się bezpiecznika nastąpi przy mniejszej krotności prądu nominalnego, w

określonym przez warunki eksploatacji urządzenia czasie, np. 0.2s (patrz tab 2.3). Tym
mniejsza będzie krotność prądu przepalenia się bezpiecznika im szybszy będzie
bezpiecznik. Bezpieczniki szybkie są droższe od zwłocznych, dlatego należy rozważyć
konieczność ich zastosowania.

Bezpieczniki zwłoczne potrzebne są w przypadkach, gdy odbiornik pobiera

wysoki prąd w chwili rozruchu, np. silnik przy włączaniu. Zwiększony prąd przy
załączaniu pobierają także transformatory.

Zastosowanie bezpieczników jako ochrony pośredniej wyczerpuje konieczność

powstania widocznej przerwy galwanicznej po zadziałaniu tego zabezpieczenia.
Odbiornik elektryczny spełnia warunki ochrony przeciwporażeniowej jeśli prawidłowo
zastosowana jest jednocześnie ochrona podstawowa. Norma PN-EN 60364,
określająca zasady stosowania środków ochrony przeciwpożarowej nie narzuca
konieczności

stosowania

uzupełniającej

ochrony

poprzez

stosowanie

np.

wysokoczułych wyłączników różnicowo-prądowych (I

= 30mA).

Panująca „moda techniczna” na powszechne stosowanie tej uzupełniającej

ochrony z użyciem wysokoczułych wyłączników różnicowoprądowych w instalacjach
domowych przeniosła się do instalacji przemysłowych. Prowadzi to często do
niezasadnego wyłączania urządzeń i maszyn w instancjach przemysłowych, a tym
samym strat ekonomicznych. Ponowne włączenie maszyny roboczej wskutek
zadziałania takiego zabezpieczenia powinno być dokonane przez służby elektryczne
odpowiedzialne za stan techniczny urządzeń. Należy zawsze starać się zidentyfikować
przyczynę zadziałania takiego zabezpieczenia Urządzenia przemysłowe są one często
generatorami znacznych prądów upływu w normalnych warunkach eksploatacji. Prądy
te mogą powodować często dość przypadkowe wyłączanie urządzenia. W takich
przypadkach należy zrezygnować ze stosowania wysokoczułego wyłącznika
różnicowoprądowego jako uzupełniającej ochrony przeciwporażeniowej i przykładowo
zastosować wyłącznik różnicowoprądowy o większych prądach od 30mA, np. 100mA.
Taki wyłącznik będzie pracował jako zabezpieczenie przeciwpożarowe, chociaż także
w wielu przypadkach będzie też chronił człowieka. Należy pamiętać, że urządzenia
przemysłowe mogą różnorodnie oddziaływać na sieć zasilania, szczególnie teraz przy
dużym nasyceniu instalacji odbiornikami nieliniowymi. Dlatego zamiast technicznych
ś

rodków ochrony coraz większe znaczenie mają środki organizacyjne, np. szkolenia

BHP, instrukcje obsługi maszyn itp.

Oczywiście dotknięcie się przez człowieka części czynnej przewodzącej

będącej pod napięciem w czasie normalnej pracy urządzenia (maszyny) spowoduje
porażenie człowieka. Nie zadziała ochrona dodatkowa i nie nastąpi odłączenie
zasilania odbiornika jeśli nie zastosowano ochrony uzupełniającej z odpowiednim
wyłącznikiem różnicowoprądowym. Pytanie tylko jak doszło do usunięcia izolacji z
przewodu będącego pod napięciem lub jak doszło do usunięcia (otwarcia) obudowy
(osłony) urządzenia, a więc uszkodzenia (usunięcia) ochrony podstawowej? Jeśli to
zrobił ktoś świadomie lub nieświadomie np. przez zaniedbanie, to sprawa nosi

-22-

znamiona przestępstwa. Nastąpiło świadome lub nieświadome zagrożenie zdrowia, a
nawet życia innych osób.

Charakterystyki czasowo-prądowe bezpieczników topikowych.
Dla omówienia własności ochronnych bezpieczników topikowych należy

zdefiniować ich parametry. Ich definicje przytoczono poniżej [7].

Napięcie znamionowe – to największe trwałe napięcie, oraz jego charakter

(zmienne lub stale), przy którym można stosować dany bezpiecznik.

Prąd znamionowy – to wartość prądu roboczego, do którego przystosowany jest

dany bezpiecznik. Jest on nieco mniejszy od prądu, jaki może trwale płynąć bez
zadziałania bezpiecznika. Różnice między tymi wartościami są zróżnicowane, zależnie
od standardu wytwarzania, np. CSA, IEC, UL. W dalszej części opracowania
wykorzystywane są definicje stosowane w normach opartych na standardzie
międzynarodowym IEC.

Charakterystyka wyłączania - opisuje zależność między szybkością wyłączania

a wartością prądu. Są tu dwie podstawowe grupy: bezpieczniki szybkie i zwłoczne.
Wersje szybką stosuje się w poszczególnych przypadkach, gdy prąd trzeba przerwać
jak najszybciej - np. na wejściu zasilania wielu urządzeń elektronicznych lub
energoelektronicznych. Są one czasem niezbędne ze względów bezpieczeństwa, np.
jeśli wartość impedancji zwarciowej jest zbyt duża i uniemożliwia stosowanie
bezpieczników zwłocznych. Bezpieczniki zwłoczne potrzebne są w przypadkach, gdy
odbiornik pobiera wysoki prąd w chwili rozruchu, np. silnik załączany bezpośrednio z
sieci zasilania, transformator zwłaszcza toroidalny.

Zdolność łączeniowa – to najwyższy prąd, jaki dany bezpiecznik może przerwać

przy danym napięciu zasilania, bez ryzyka wystąpienia przebicia lub stopienia jego
obudowy. Specyfikacja zdolności łączeniowej może obejmować np. wartość prądu
przerwania, wartość napięcia roboczego i jego rodzaj (zmienne lub stałe). Zdolność
łączeniowa musi być dobrana biorąc pod uwagę warunki ekstremalne, np. przy
zwarciach należy się liczyć z maksymalnym prądem jaki może popłynąć ze źródła.

-23-

Charakterystyki bezpieczników są znormalizowane. W standardzie IEC

wyróżnia się typ FF (bardzo szybki), F (szybki), M (dość szybki), T (opóźniony), i
TT (zwłoczny). W standardzie UL są np. T-D (opóźniony) i D (zwłoczny), rys. 2.4.

Rys.2.4. Charakterystyki

zale

czasu

przepalenia

krotno

nominalnego

dla

ró

nych

typów

bezpieczników topikowych wg standardu
IEC.

W normie PN-EN60269-1:2001 [DIN

VDE 0636, (IEC 60269)] dla niskiego napięcia
bezpieczniki łączy się w grupy klasyfikując je w
zależności od pełnionej funkcji charakterystyk
roboczych.

Rozróżnia

się

dwa

zakresy

wyłączania

oraz

stosuje

się

odpowiednie

oznaczenie

wkładek

bezpiecznikowych.

Pierwsza litera oznacza zakres wyłączania:

g - wkładka topikowa o pełnym zakresie zdolności wyłączania,
a - wkładka topikowa o częściowym zakresie zdolności wyłączania.
Druga litera (znak dwuliterowy) oznacza kategorię użytkowania, np:

G - powszechne zabezpieczenie kabli i instalacji kablowych, ogólne

zastosowania,

M - zabezpieczenie wyłączników, przełączników i silników,
R - zabezpieczenie półprzewodników,
B - bezpieczniki główne (zabezpieczenie główne),
Tr - zabezpieczenie transformatorów.
Oznaczenia wkładek topikowych mają postać:
gG/gL - wkładka topikowa o pełnym zakresie zdolności wyłączania

przeznaczona do ogólnych zastosowań,

aM/gM - wkładka topikowa o częściowym/pełnym zakresie zdolności

wyłączania przeznaczona do zabezpieczania obwodów silnikowych.

Wkładki typu aR lub gR są szeroko stosowane przy zabezpieczeniu elementów

półprzewodnikowych i urządzeń elektronicznych oraz energoelektronicznych.
Przykładowe

charakterystyki

czasowo-prądowe

wkładek

bezpiecznikowych

przedstawiono na rys. 2.5.

Jeśli wkładka bezpiecznikowa nie ma specjalnych oznaczeń to jest

przeznaczona do pracy przy prądach przemiennych o częstotliwościach 45-62 Hz.

-24-

100 300 1000 3000 10000A

0,001

0,01

0,1

5,5

100

1000

10000

Czas t

d I[A]

100 300 1000 3000 10000A

Rys.2.5. Wykresy

charakterystyk

wybranych

rodzajów

bezpieczników

stosowanych

zabezpieczeniach instalacji nap

dów z przekształtnikami półprzewodnikowymi.

Parametrem charakteryzującym zdolności wyłączania prądów wkładkę

bezpiecznikową jest także podawana przez producenta charakterystyka całki prądu
(całki Joule’a) I

t. Dla pracy przedłukowej obrazuje ona najmniejszą wartość ciepła

wydzielonego, które morze wystąpić w eksploatacji od czasu poniżej 0,1s, aż do czasu
odpowiadającego znamionowej zdolności wyłączania [6].

Definicję całki prądu I

t przedstawia wyrażenie poniżej:

∫

[ 2.5 ]

2.4.3. Z

ASADY DOBORU WYŁĄCZNIKA NADPRĄDOWEGO LUB WKŁADKI

BEZPIECZNIKOWEJI PRZYKŁADOWE OBLICZENIA

Układ sieci zasilania typu TN

Pomiar impedancji pętli zwarcia jest podstawowym pomiarem w ocenie

skuteczności ochrony przed dotykiem pośrednim w obwodach układu sieciowego TN z
zabezpieczeniami przetężeniowymi (samoczynne wyłączenie zasilania). Impedancja
pętli zwarciowej powinna mieć tak małą wartość, aby prąd zwarciowy płynący w pętli
zwarciowej

osiągnął

dostatecznie

dużą

wartość

zapewniającą

zadziałanie

przetężeniowych urządzeń ochronnych w wymaganym krótkim czasie, np. 0,2s; 0,4s;
czy do 5s.

Przed przystąpieniem do wyboru zabezpieczenia przetężeniowego należy

ustalić:

•

Maksymalny czas wyłączenia zasilania dla danego znamionowego napięcia
fazowego (w stosunku do ziemi) U

i dopuszczalnego długotrwałego napięcia

-25-

dotyku U

(z tablicy maksymalnych czasów wyłączania obwodów pracujących

w układzie TN, wg normy PN-IEC60364).

•

Korzystając z charakterystyk czasowo prądowych i danych znamionowych
urządzeń ochronnych (wkładki topikowe, wyłączniki nadmiarowo prądowe)
ustalamy wartość prądu I

powodującego samoczynne zadziałanie urządzenia

ochronnego w czasie ustalonym w poprzednim punkcie.

Prądy wyłączalne wkładek topikowych odczytujemy z ich charakterystyk

pasmowych.

Mając na uwadze utrudnione odczytywanie wartości liczbowych z

charakterystyk t=f(i) przedstawianych w skali logarytmicznej często podaje się je w
postaci tabelarycznej. W tablicy parametrów technicznych wkładek topikowych podaje
się odczytane i wyliczone wartości maksymalnych prądów zadziałania (przepalenia)
wkładek topikowych dla czasów 0,2s; 0,4s; 5s.

Dla elektromagnetycznych wyłączników nadmiarowo-prądowych, np. typu

S190 prąd wyłączalny obliczany ze wzorów:

= 3I

dla wyłączników o charakterystyce A,

= 5I

dla wyłączników o charakterystyce B,

= 10I

dla wyłączników o charakterystyce C,

= 20I

dla wyłączników o charakterystyce D

Korzystając z zależności;

TN

≤

[ 2.6 ]

gdzie: Z

- impedancja pętli zwarcia w [

Ω

], U

- napięcie znamionowe

względem ziemi w [V], I

- prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia

ochronnego w [A].

obliczamy dopuszczalną maksymalną wartość impedancji pętli zwarciowej,

gwarantującej samoczynne wyłączenie zasilania w danym czasie.

Przykład 1
Silnik elektryczny o mocy 6kW i napięciu znamionowym U = 3x400V/3x230V

zabezpieczony jest wkładką topikową zwłoczną WT-1/gG32A i jest zainstalowany na
wolnym powietrzu do napędu wentylatora.

Ocenić skuteczność ochrony przeciwporażeniowej pośredniej, jeżeli zmierzona

wartość impedancji pętli zwarciowej Z

Spom

wynosi 0,6

Ω

Dane liczbowe:
U

= 230V, U

= 25V (warunki o zwiększonym zagrożeniu – przestrzeń

otwarta, dostęp osób postronnych), Z

Spom

= 0,6

Ω

, I

= 32A dla wkładki WT-1/gG

Z tablicy maksymalnych czasów wyłączania obwodów pracujących w układzie

TN dla U

= 230V i U

=25V odczytujemy czas 0,2s.

Z tablicy parametrów technicznych wkładki typu WT-1/gG o prądzie

znamionowym I

= 32A odczytujemy prąd samoczynnego zadziałania dla czasu 0,2s,

= 290,3A. Prąd I

bezpiecznika możemy także wyznaczyć na podstawie podanego

-26-

przez producenta współczynnika k = I

, dla analizowanego przypadku odczytana

wartość k =9,0.

Obliczona dopuszczalna wartość impedancji Z

Ω

290

230

[2.7]

Wniosek:
Ochrona przeciwporażeniowa jest skuteczna ponieważ wartość impedancji

zmierzonej jest mniejsza od wartości impedancji dopuszczalnej.

Spom

(0,6

Ω

0,79

Ω

)

[2.8]

W analizowanym przykładzie skuteczną ochronę przeciwporażeniową spełnią

także

wyłączniki

nadprądowe

(nadmiarowo

prądowe,

przetężeniowe)

natychmiastowego działania typu B i C. Nie zapewnia jej wyłącznik typu D
(Z

= 230V/32A x 20 =0,36

Ω

Układ sieci zasilania typu TT
Pomiar rezystancji uziemienia ochronnego R

jest podstawowym pomiarem w

ocenie skuteczności przed dotykiem pośrednim w układzie sieci TT, przy zastosowaniu
jako środka ochrony samoczynnego wyłączenia zasilania.

Rezystancja uziemienia R

, powinna mieć na tyle małą wartość, aby prąd

zwarciowy płynący przez rezystancje uziemienia uziomu i rezystancję przewodów
łączących uziom z częściami przewodzącymi dostępnymi (obudowy metalowe) nie
powodował powstania napięcia dotyku większego niż napięcie bezpieczne w danych
warunkach środowiskowych U

(np. 50V lub 25V).

Przed przystąpieniem do wykonywania pomiarów należy ustalić:

•

Warunki środowiskowe, w oparciu o które przyjmujemy U

= 50V dla

warunków normalnych i U

= 25V dla warunków o zwiększonym zagrożeniu.

•

Korzystając z charakterystyk czasowo-prądowych i danych znamionowych
urządzeń ochronnych (wkładki topikowe, wyłączniki instalacyjne nadmiarowo
prądowe), ustalamy wartość prądu I

powodującego samoczynne zadziałanie

urządzenia ochronnego w czasie do 5 s.

Korzystając z zależności;

≤

[2.9 ]

gdzie: R

– rezystancja uziemienia ochronnego uziomu wraz z rezystancją

przewodów łączących uziom z chronionymi częściami przewodzącymi obcymi w

Ω

, I

–

prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia w [A] w czasie do 5s, U

–

dopuszczalna w danych warunkach środowiskowych wartość napięcia dotykowego w
[V].

-27-

obliczamy dopuszczalną wartość uziemienia ochronnego R

, które nie zawsze

zapewnia wyłączenie urządzeń nadmiarowo prądowych. Z reguły w sieci TT prąd
zwarciowy nie osiąga wartości prądu wyłączającego I

, a skuteczność ochrony jest

zapewniona przez obniżenie napięcia dotykowego do wartości nie większej od napięcia
U

-28-

Przykład 2
Silnik elektryczny o mocy 6kW i napięciu znamionowym U = 3x400V/3x230V

zabezpieczony jest wkładką topikową zwłoczną WT-1/gG-32A i zainstalowany jest w
hali produkcyjnej przy obrabiarce.

Ocenić skuteczność ochrony przeciwporażeniowej jeżeli zmierzona wartość

rezystancji uziemienia ochronnego wynosi 1

Ω

. Uziom ochronny jest wykonany jako

pojedynczy uziom poziomy. Grunt w czasie pomiaru był wilgotny.

Dane liczbowe:
K

= 2,2 - współczynnik odczytany z tablicy wartości sezonowych zmian

rezystywności gruntu dla gruntu wilgotnego,

= 50V - warunki środowiskowe normalne, I

= 32 A - dla wkładki WT-1/gG.

Apom

= 1

Ω

= K

Apom

= 2,2

1 = 2,2

Ω

(obliczona wartość rezystancji

uziemienia ochronnego)

Z tablicy parametrów technicznych wkładek topikowych, dla wkładki WT-1/gG

= 32A odczytujemy dla czasu t = 5 s wartość prądu I

= 148,7A.

Ω

148

[ 2.10 ]

Ochrona przeciwporażeniowa nie jest skuteczna ponieważ obliczona wartość wartość rezystancji

uziomu R

(uwzględniającej stan gruntu) jest większa od wartości rezystancji dopuszczalnej.

(2,2

Ω

0,34

Ω

)

[2.11]

Aby ochrona przed dotykiem pośrednim za pomocą samoczynnego wyłączenia

była skuteczna należy zastosować urządzenie ochronne różnicowoprądowe.

Układ sieci zasilania typu IT
Przy pojedynczym zwarciu z ziemią w układzie IT nie wymaga się

samoczynnego wyłączenia zasilania gdy sieć wyposażona jest w urządzenie do kontroli
stanu izolacji (UKSI) oraz sygnalizację pojedynczego zwarcia i o ile spełniony jest
warunek:

Ω

〈

pom

oraz

[ 2.12 ]

gdzie: R

A pom

- wartość zmierzonej rezystancji, I

– wartość pojedyńczego prądu

zwarcia z ziemią w [A], U

– dopuszczalna wartość napięcia dotykowego w [V].

Prąd I

pojedynczego zwarcia z ziemią można wyznaczyć metodą pomiarową

przez celowe wykonanie zwarcia doziemnego jednej fazy.

Jeżeli urządzenie UKSI nie działa na wyłączenie, to należy sprawdzić za

pomocą pomiarów lub obliczeń czy są spełnione warunki zapewniające samoczynne
wyłączenie zasilania przy zwarciach podwójnych. Zależnie czy sieć jest z przewodem
neutralnym N, czy też jest bez tego przewodu impedancja pętli zwarcia powinna
odpowiednio spełniać nierówności 2.11 i 2.12.

Opracowanie nie obejmuje omówienia przeciwporażeniowej ochrony

uzupełniającej realizowanej obecnie głównie przez stosowanie wyłączników

-29-

różnicowo prądowych. Stosowanie tych urządzeń ochronnych ma ograniczone
zastosowanie przy zabezpieczeniach elektronicznych i energoelektronicznych
odbiorników energii. Stosowanie tych zabezpieczeń w układach z przekształtnikami
półprzewodnikowymi prowadzi często do nieuzasadnionego zatrzymywania maszyn i
znacznych strat gospodarczych, dlatego autor nie jest zwolennikiem powszechnego
stosowania tych urządzeń uzupełniającej ochrony przeciwporażeniowej [8].
Stosowanie wyłączników różnicowo prądowych w instalacjach niskonapięciowych jest
przedmiotem wielu opracowań [5].

2.5. LITERATURA DO ROZDZIAŁU

[ 1] Dr inż. Witold Jabłoński, Instytut Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej INiPE Ogólne kryteria
ochrony przeciwporażeniowej przed dotykiem bezpośrednim i przy dotyku pośrednim, INPE SEP
Nr 43/2002.
[ 2] PN-IEC 60364-x-xx Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.
(Wyszukiwanie norm:

http://www.pkn.com.pl

)

[ 3] A. Białas, Bezpieczniki i wyłączniki nadprądowe. F. Legrand Fael - Opracowanie wewnętrzne,
opublikowane w miesięczniku „Elektrosystemy”, 2002.
[ 4] W. Orlik, J. Przybyłowicz, Badania i pomiary eksploatacyjne wurządzeń elektroenergetycznych dla
praktyków. Wyd. KaBe Krosno 2000.
[ 5] W.Orlik, Egzamin kwalifikacyjny elektryka w pytaniach i odpowiedziach, Wyd. KaBe Krosno 2001.
[ 6] Poradnik Inżyniera Elektryka, tom 2, WNT, 1997
[ 7] Teoria katalogu ELFA – dział Bezpieczniki, 2003
[ 8] A. Michalski, F. Szczucki i inni, Ochrona przeciwporażeniowa przed dotykiem pośrednim w układach
energoelektronicznych, Śląskie Wiadomości Elektryczne 1/2002.

3. EMC I HARMONICZNE PRĄDU W INSTALACJACH

Z NAPĘDOWYMI PRZEMIENNIKAMI CZĘSTOTLIWOŚCI

3.1. OGÓLNE ZASADY BUDOWY UKŁADU NAPĘDOWEGO

ZGODNEGO Z WYMOGAMI EMC

W celu uniknięcia pomyłek i niedorzeczności, musimy na samym początku

zdefiniować pojęcia jakimi będziemy się posługiwali:

Zaburzenie – dowolne zjawisko elektromagnetyczne, mogące obniżyć jakość

działania urządzenia lub systemu, albo niekorzystnie wpływać na materię ożywioną i
nieożywioną.

Zakłócenia – obniżenie

jakości

działania

urządzenia

lub

systemu,

spowodowane zaburzeniem elektromagnetycznym.

Urządzenie – produkt

finalny

przeznaczony

autonomicznego

wykonywania określonej funkcji.

System

– kombinacja

wielu

urządzeń

lub

podzespołów

elektrycznych lub elektronicznych, wykonujących wspólnie określone funkcje.

Instalacja

– połączenie w miejscu przeznaczenia urządzeń, systemów lub

podzespołów

elektrycznych

lub

elektronicznych

sposób

umożliwiający

wykonywanie określonych funkcji.

-30-

Najczęściej spotykanym rodzajem napędu elektrycznego są silniki indukcyjne

zasilane z przemienników częstotliwości. Częstotliwość napięcia wyjściowego
przemiennika jest regulowana szerokością impulsu napięcia wyprostowanego. Postęp
w technologii tranzystorów mocy pozwala na stosowanie coraz większej częstotliwości
impulsowania i coraz krótszych czasów narastania impulsów. Powoduje to generację
zakłóceń o coraz większych częstotliwościach.

Nieprzestrzeganie zaleceń zawartych w normach międzynarodowych IEC lub

europejskich EN, dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej EMC przy
montażu takich napędów, prowadzi nieuchronnie do emisji zakłóceń do otoczenia i w
konsekwencji do zakłóceń pracy urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Ponieważ
polskie normy już tożsame z normami UE, dlatego znajomość tych zagadnień jest
bardzo ważna.

Chęć ograniczenia kosztów instalacji, skłania inwestorów do nieprzestrzegania

tych zasad. Praktyka jednak pokazuje, że są to tylko pozorne oszczędności. Najtańszym
rozwiązaniem technicznym okazuje się wykorzystanie zaleceń dotyczących EMC
podczas wykonywania nowej instalacji napędu. Najdroższe rozwiązanie to
dokonywanie modyfikacji w istniejącej już instalacji elektrycznej, rys. 3.1.

różnych etapa

Rys.3.1. Koszty

realizacji

warunków

kompatybilno

elektromagnetycznej

EMC

w ró

nych etatach realizacji projektu.

W celu zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej podczas montażu

urządzeń należy wprowadzić takie działania techniczne, jak uziemienie i
ekwipotencjalizację, ekranowanie oraz stosowanie filtrów. Aby uzyskać żądany efekt
należy podczas montażu zastosować wszystkie podane środki. Pominięcie jednego z
nich często niweczy skuteczność pozostałych.

3.1.4. U

ZIEMIENIE

W zakłóceniach generowanych przez przekształtniki częstotliwości

można wyodrębnić składową symetryczną i asymetryczną. Bardzo ważne jest,
aby składowa asymetryczna prądów zakłóceniowych, zamiast przedostawać

K
O
S
Z
T
Y

PROJEKTO-

WANIE

PROTOTYP,

SERIA PRÓB

PRODUKCJA

SERYJNA

ETAPY REALIZACJI PROJEKTU

-31-

się przewodami zasilającymi do sieci, była zamknięta ze swym źródłem
możliwie blisko przemiennika. Dlatego:

przemiennik i filtr należy montować blisko siebie na możliwie dużej powierzchni

metalowej, stanowiącej miejscowe uziemienie dla sygnałów zakłócających np. na
tylnej ścianie szafy montażowej,

stykające się z uziemieniem powierzchnie przemiennika i filtru, a także

sama szyna uziemiająca muszą być przewodzące elektrycznie, nie mogą
być pokryte farbą, lakierem, folią lub tlenkami,

przewody uziemiające układu należy montować zgodnie z zasadami ochrony

przeciwporażeniowej pamiętając, że w zakresie częstotliwości sygnałów występują
spadki napięcia większe niż w przypadku uziemionych powierzchni metalowych,

przewody uziemiające rozprowadzić z jednego punktu do wszystkich

miejsc wymagających uziemienia; pętle przewodów uziemiających mogą
powodować indukowanie i sprzęganie się zakłóceń z otoczeniem.

3.1.5. E

KRANOWANIE

Przyjmujemy, że układ urządzeń składających się z kilku części

składowych połączonych przewodami jest ekranowany, jeśli każda z jego
części jest ekranowana, przewody między częściami systemu są ekranowane,
a ponadto ekran przewodów jest przyłączony na obu końcach do ekranów
części składowych systemu. Takie rozwiązanie uniemożliwia przenikanie
pola elektromagnetycznego z zewnątrz do systemu i wydostanie się go do
ś

rodowiska. W układzie napędowym z przemiennikiem częstotliwości system

składa się z dwóch elementów: przemiennika i silnika, połączonych kablem.
Do przemiennika są również doprowadzone przewody zasilające. Zasady
ekranowania w odniesieniu do napędów elektrycznych można przedstawić
następująco:
kabel między silnikiem a przemiennikiem powinien być ekranowany,
przewody sterujące między przemiennikiem a silnikiem powinny być

ekranowane,

ekrany kabli na całym obwodzie powinny być połączone z korpusem

silnika z jednej strony i metalową obudową przemiennika z drugiej,
rys. 3.2,

ekran powinien być przymocowany obejmą metalową do części metalowej

silnika lub przemiennika, a nie opleciony wokół tych części, co mogłoby
osłabić skuteczność ekranowania,

jeśli przemiennik nie ma całkowicie ekranowanej obudowy, np. część jego

obudowy jest wykonana z tworzywa sztucznego, to należy przymocować
ekran kabla do wspólnej szyny uziemiającej przemiennika i filtru,

wykorzystanie splotu, skrętki z ekranu do przyłączenia ekranu przewodów

(sterujących, kontrolnych, pomiarowych itp.) jest niedopuszczalne.

-32-

silnik

L1 U

L3 W

PE PE

NPC

Przemiennik

częstotliwości

Filtr
RFI

ekran kabla
zasilającego silnik

wspólna masa

Linia

zasilania

Rys.3.2. Schemat podł

czenia ekranu kabla zasilaj

cego silnik.

Może się okazać, że przyłączenie ekranu przewodów sterujących na

obu końcach spowoduje, że przewody będą mniej odporne na zakłócenia pola
magnetycznego małej częstotliwości. W takiej sytuacji kompromisowym
rozwiązaniem jest połączenie ekranu z jednej strony poprzez kondensatory,
które dla sygnałów wielkiej częstotliwości stanowią zwarcie, a przy małych
częstotliwościach zapobiegają zamknięciu się pętli.

3.1.6. F

ILTRY

W układzie sieć zasilania - przemiennik - silnik jest jeszcze jedno

miejsce, przez które zakłócenie może przedostać się na zewnątrz. Jest to
doprowadzenie zasilania. Zasilający przewód ekranowy przewodziłby
zakłócenia generowane przez przemiennik do sieci zasilającej, co
pogorszyłoby kompatybilność. Jedynym sposobem ograniczenia tych
zakłóceń jest stosowanie filtrów. Konstrukcja filtrów przeciwzakłóceniowych
obejmuje zestaw odpowiedni elementów RLC umieszczonych w zwartej
obudowie. Elementy pojemnościowe i indukcyjne są często zalewane w
obudowie specjalną masą z tworzywa sztucznego w celu uniknięcia ich
wpływu

charakterystykę

filtru

podczas

montażu.

Prawidłowo

zaprojektowany i wykonany filtr powinien spełniać dwie podstawowe
funkcje: chronić urządzenie przed zakłóceniami zewnętrznymi oraz tłumić
zakłócenia wytworzone w urządzeniu przed wydostaniem się ich do sieci. W
celu dobrania odpowiedniego filtru należy wziąć pod uwagę następujące
parametry:

prąd znamionowy, napięcie i częstotliwość pracy, dopuszczalny

prąd upływności oraz charakterystykę. Dobór filtrów z odpowiednią
charakterystyką polega na tym, aby impedancja wejściowa filtru była
niedopasowana do impedancji obwodów stanowiących źródła zakłóceń w
celu odbicia sygnałów zakłócających [1,2].

W zależności od producenta lub wyrobu stosuje się bardzo różne

rozwiązania konstrukcyjne i instalacyjne filtrów przeciwzakłóceniowych.
Generalnie jednak można powiedzieć, że w roli filtrów zakłóceń radiowych
(filtr RFI) używa się pojemności, zaś zakłóceń przewodzonych -
indukcyjności. Filtry RFI mogą być elementem opcjonalnym montowanym na

-33-

wejściu lub integralną częścią przemienników układów napędowych, np. w
niektórych przemiennikach układy filtrujące RC są standardowo montowane,
zarówno na wejściu, jak i na szynie pośredniczącego napięcia DC.

Filtry RFI są stosowane do tłumienia zakłóceń emitowanych

przewodami w punkcie podłączenia linii tam, gdzie filtr sprowadza
zakłócenia do ziemi. Filtr RFI jest dobierany dla tłumienia zakłóceń
przewodowych. Niezawodne połączenia o niskiej impedancji są istotne dla
zagwarantowania właściwego funkcjonowania filtru, stąd należy postępować
zgodnie z następującymi instrukcjami:
filtr powinien być montowany na płycie o niepowlekanych punktach

połączeń i w zgodności z instrukcjami producenta filtra;

rama szafy filtra i szafa napędu powinny być ze sobą skręcone w kilku

punktach, ze wszystkich punktów należy usunąć farbę;

kable wejściowe i wyjściowe filtra nie mogą biec równolegle do siebie i

muszą być względem siebie separowane ekranem;

maksymalna długość kabla pomiędzy przemiennikiem i jego filtrem

wyjściowym to 2 metry, większe odległości wymagają kabla z ekranem, a
silnik nie może być uziemiony inaczej niż poprzez ekran jego kabla
zasilania;

filtr wyjściowy przemiennika musi być uziemiony zgodnie z instrukcjami

producenta, należy zwrócić uwagę na to, że krytyczne są typ kabla
silnikowego i jego długość.

Podobnie indukcyjności redukujące poziom zakłóceń przewodzonych na

zasilaniu przemiennika, są w zależności od producenta i wyrobu, montowane
standardowo lub opcjonalnie w różnych punktach układu. Typowym
rozwiązaniem, jest stosowanie jednego dławika zamontowanego w układzie
pośredniczącym prądu stałego. W przemiennikach stosuje się także inne
rozwiązanie: standardowo montowane są trzy dławiki na fazach wejściowych
urządzenia. Okazało się bowiem, że dzięki takiemu rozwiązaniu udaje się
uzyskać znacznie niższy poziom emisji zakłóceń przewodzonych przy
podobnych gabarytach filtra indukcyjnego typu AC i DC .

Niezależnie od zastosowanej metody w standardowych przemiennikach

oferowanych na rynku, używane są filtry dobrane do danego urządzenia.
Wartości elementów filtrów są różne w zależności od wartości parametrów
(mocy, prądów, napięcia zasilania) przemiennika. Odpowiedni dobór
elementów zastosowanych w filtrze danego urządzenia jest wynikiem
obliczeń, doboru i testów wykonywanych przez danego producenta i
najczęściej informacje te nie są powszechnie dostępne.

Mechanizm generacji zakłóceń można zilustrować za pomocą

przykładu, z układem napędowym w którym silnik jest przyłączony do
przemiennika częstotliwości stosunkowo długim kablem. Napięcia wyjściowe

-34-

przemiennika generują drgania w obwodzie: przemiennik – kabel silnikowy –
silnik, poprzez pojemności pasożytnicze.

Podwyższenie stopnia kompatybilności elektromagnetycznej można

uzyskać za pomocą: dławika wejściowego sieciowego, filtru wejściowego
RFI oraz filtru wyjściowego. Dławik wejściowy spełnia dwie funkcje:
poprawia kształt prądu pobieranego przez obwód wejściowy przemiennika
(prostownik diodowy – kondensator filtrujący) oraz ogranicza wpływ
przełączeń zachodzących w przemienniku na sieć zasilającą. Filtr wejściowy
RFI służy do ograniczenia zakłóceń radioelektrycznych promieniowanych
przez sieć zasilającą oraz zakłóceń przewodzonych wysokiej częstotliwości,
dla których rzeczywisty dławik wejściowy nie stanowi dostatecznie dużej
impedancji. Filtr wyjściowy pełni podobne funkcje co filtr wejściowy, przy
czym najczęściej jest to dławik (współpracujący z pojemnością kabla i
silnika) obniżający stromość napięcia wyjściowego przy przełączeniach
(około 10 do 20 razy). W zakresie względnie niskich mocy (do 16 A) mogą
być stosowane filtry dające sinusoidalne napięcie wyjściowe. Jednak obecnie
mają one zbyt wysoką cenę oraz dużą objętość i masę, co ogranicza zakres ich
stosowania. Innym rozwiązaniem redukującym znacznie generację zakłóceń
opisywanego rodzaju jest ograniczenie długości kabla łączącego silnik z
przemiennikiem częstotliwości.
W skrajnym przypadku w konstrukcji kompaktowej napędu, silnik jest
przyłączony do falownika bezpośrednio (bardzo krótkim przyłączem). Moce
napędów kompaktowych ograniczone są, jak dotychczas, do kilkunastu kW.

Jedną ze skuteczniejszych metod filtracji zakłóceń przewodzonych

powodowanych w sieci przez napęd (odkształcenie sinusoidy zasilającej), jest
także

stosowanie

dedykowanego

transformatora

zasilającego

oraz

zwiększanie liczby pulsów mostka wejściowego przemiennika.

Z przyczyn ekonomicznych stosowanie transformatora przeznaczonego

wyłącznie do zasilania napędu ma sens dopiero od pewnego poziomu mocy.
Niekiedy jednak, gdy przewidziane jest stosowanie dużej ilości układów
przemiennikowych małej mocy, należy rozważyć zasilanie ich z jednego
transformatora. Rzadko się zdarza, aby przemienniki małej mocy były
wyposażone w więcej niż sześciopulsowe mostki zasilające. Jeżeli jednak
stosowanych jest równocześnie wiele przemienników sześciopulsowych, przy
projektowaniu ich zasilania z jednego transformatora warto rozważyć
możliwość, aby transformator ten został wykonany jako trójuzwojeniowy, a
jego uzwojenia wtórne były połączone w odmienny sposób (tzn. jedno w
gwiazdę a drugie w trójkąt). Przy zachowaniu pewnej równomierności
obciążenia obu uzwojeń, efekt może być bardzo zbliżony do uzyskanego przy
stosowaniu zasilania dwunastopulsowego przemiennika o mocy sumarycznej.
W efekcie uzyskuje się bardzo niski poziom wartości harmonicznych w
napięciu sieci. Zastosowanie transformatora dwunastopulsowego redukuje

-35-

bardzo silnie harmoniczne rzędu 5, 7, 17 i 19 i zmniejsza wartość
harmonicznych rzędu 11 i 13.

3.1.7. D

OBÓR FILTRÓW SIECIOWYCH

Aby odpowiednio dobrać filtr, należy znać impedancje dla sygnałów

asymetrycznych (wspólnych) i różnicowych (symetrycznych) z jednej strony
sieci zasilającej, a z drugiej - obciążenia.
Częstotliwości, które należy odfiltrować są większe niż 150 kHz w przypadku
urządzeń cywilnych. W zakresie częstotliwości mniejszych nie należy się
obawiać zakłóceń asymetrycznych, jeśli oczywiście zastosuje się separację
galwaniczną. Zakłóceniami różnicowymi mogą być składowe harmoniczne
napięcia, ale ogranicza się je przez zastosowanie specjalnie dobranych filtrów
pasmowo

zaporowych,

nie

klasycznych

filtrów

EMC

(dolnoprzepustowych).

Przy częstotliwościach większych niż 50kHz impedancje sieci dla

sygnałów asymetrycznych i różnicowych są porównywalne.

Ich wartości w

nieokreślony sposób zmieniają się w czasie, a także zależą od miejsca, w
którym filtr ma zostać zainstalowany. Nie da się bez przeprowadzenia
pomiarów dokładnie określić impedancji sieci. Można jedynie stwierdzić, że
w 90% przypadków mieści się ona w przedziale od 10

Ω

do 1 k

Ω

, przy czym

w 50% sytuacji impedancja różnicowa wynosi ok. 100

Ω

, zaś impedancja dla

sygnałów asymetrycznych prawdziwych wynosi mniej niż 200

Ω

Natomiast impedancja obciążenia jest dość dobrze znana. Dla sygnałów
różnicowych jest ona zawsze mała, powiedzmy mniejsza niż 10

Ω

przypadku zasilaczy impulsowych w warunkach przewodzenia przez diody.
Filtrację zakłóceń różnicowych osiąga się przez rozdzielenie dużą impedancją
(indukcyjnością) sieci od obciążenia w celu jak największego ich
niedopasowania i przyłączenie kondensatorów od strony sieci.
Impedancja obwodów zasilania dla sygnałów asymetrycznych jest duża.
Separacja galwaniczna zasilania (C < 1nF) sprawia, że impedancja obciążeń
dla zakłóceń asymetrycznych jest większa niż 100

Ω

w zakresie

częstotliwości sięgających wielu megaherców. Aby odfiltrować sygnały
asymetryczne od strony obciążenia (duża impedancja chronionego obwodu),
należy zapewnić dużą pojemność (między przewody robocze i masę
przyłączyć kondensatory), a od strony sieci zasilającej - bardzo dużą
impedancję szeregową, tj. dławiki prądu asymetrycznego.

Niektórzy wytwórcy łączą w jednym układzie obydwa rodzaje filtrów

(dla zakłóceń asymetrycznych i zakłóceń różnicowych). Rozwiązanie to ma tę
zaletę, że indukcyjność rozproszenia dławika prądów asymetrycznych jest
wykorzystywana także do filtrowania zakłóceń różnicowych.
W filtrach tych wykorzystywane są dwa typy kondensatorów:
kondensatory X, tzw. międzyfazowe lub trybu różnicowego,

-36-

kondensatory Y, zwany również kondensatorami typu asymetrycznego.
Kondensator X powinien być jak największy, Największą wartość jego
pojemności wyznacza jedynie dopuszczalna wartość prądu występującego
przy załączaniu urządzenia, ograniczonego jedynie impedancją sieci.
Kondensatory Y przyłączane do obudowy nie powinny wprowadzać zbyt
dużego prądu do przewodu ochronnego. Przepisy bezpieczeństwa ograniczają
prąd upływu w przewodzie ochronnym PE, w połączeniach zasilających
urządzeń ruchomych, do 0,25mA lub 3,5mA przy częstotliwości sieciowej,
zależnie od rodzaju urządzenia [3].

3.2.

WPŁYW PARAMETRÓW SIECI ZASILANIA NA UKŁAD

NAPĘDOWY

3.2.1. D

EFINICJE I MIARY JAKOŚCI ENERGII

Jakość energii elektrycznej jest pojęciem z kategorii rynku i nie poddaje

się w pełni sformalizowanym miarom. Obiektywnie jakość energii może być opisana
zbiorem możliwie ściśle zdefiniowanych parametrów, jak np. liczba i czas trwania
przerw w zasilaniu, odchylenia wartości skutecznej, częstotliwości oraz stopnia
deformacji fali napięcia na przyłączu u odbiorcy. Jak widać nie chodzi tu o parametry
dotyczące bezpośrednio energii, ale o parametry charakteryzujące warunki
przekazywania energii. Subiektywnie jakość energii elektrycznej zależy od czułości
stosowanych odbiorników na zakłócenia i odchylenia od nominalnych warunków
zasilania. Problem niekompatybilności w nowoczesnych urządzeniach sprowadza się
najczęściej do zniekształcania informacji zawartych w sygnałach obwodów sterowania,
pomiarów i nadzoru.

Obiektywnie parametry określające jakość energii, to:

Parametry znamionowe: napięcie, tolerancja zmian napięcia, częstotliwość,

tolerancja zmian częstotliwości.

Parametry w stanie zaburzenia: przepięcia, wahania napięcia (migotanie),

załamania napięcia, asymetria napięć.

Jednym z istotnych czynników charakteryzujących jakość energii elektrycznej

jest odkształcenie przebiegów napięć i prądów od przebiegu sinusoidalnego.
Odkształcenie to jest charakteryzowane występowaniem wyższych harmonicznych w
przebiegu czasowym o częstotliwości podstawowej, np. 50 Hz. Definiowane jest ono
najczęściej procentową zawartością wyższych harmonicznych w stosunku do wartości

skutecznej harmonicznej podstawowej [THD

, THD

] lub do wartości skutecznej

przebiegu odkształconego [TDF

, TDF

-37-

3.2.2. G

ŁÓWNE PRZYCZYNY POWSTAWANIA ZNIEKSZTAŁCEŃ W LINIACH

ZASILAJĄCYCH

Największy wpływ na powstawanie zniekształceń harmonicznych podczas

działania przemiennika częstotliwości mają mostki prostownicze przekształcające
napięcie AC na napięcie DC, rys. 3.1. Falownik zamienia natomiast napięcie DC na
napięcie AC o dowolnej częstotliwości i wartości skutecznej napięcia dla
sterowania prędkością i momentem silnika. Nie oddziaływuje on bezpośrednio na
siec zasilania, .wpływ falownika ma tu charakter drugorzędny.

Prostownik
trójfazowy

Linia

zasilaj

Rys.3.3. Ogólny schemat blokowy przemiennika napi

ciowego do nap

du zmienno

stotliwo

ciowego.

W większości dziś używanych przemiennikach częstotliwości stosowanych w

układach napędowych, do przekształcania napięcia zasilania stosowane są diodowe
mostki prostownicze, rys. 3.3. Do „wygładzenia” napięcia DC (zmniejszenia tętnień
pozostałych po napięciu AC) stosuje się kondensatory.

sie

zasilania
AC

do mostka
odwracaj

cego

DC/AC
(falownika napi

cia)

Rys.3.4. Diodowy mostek prostowniczy w układzie przemiennika PWM.

Podczas gdy rezultatem filtru kondensatorowego jest bardzo sprawny napęd,

układ może powodować problemy w linii elektroenergetycznej AC, z powodu
sposobu w jaki przepływa (jest pobierany) prąd zasilania. Prąd ten będzie płynąć z
prostownika do kondensatora C tylko do chwili gdy napięcie wejściowe będzie
większe niż napięcie na zaciskach kondensatora. Dokładnie obrazuje to rys. 3.5. Jak
widać czas przepływu tego prądu jest bardzo mały dla każdej z faz. Ażeby

-38-

przenieść wymaganą przez silnik energię w takim krótkim okresie czasu, amplituda
prądu musi być bardzo wysoka.

Linia

przerywana

przebieg

napi

cia AC

Faza

napi

cia

Rys.3.5. Pr

d wej

ciowy dopływa tylko wtedy gdy napi

cie wej

ciowe jest wi

ksze ni

napi

cie

na zaciskach kondensatora C.

Prąd wejściowy nie jest sinusoidalny, co można łatwo zaobserwować przy

pomocy np. oscyloskopu. Składa się on natomiast z dwu odrębnych pulsów w
każdej połówce okresu napięcia. Taki przebieg prądu ma dużą zawartość wyższych
harmonicznych. Impulsy prądowe układają się symetrycznie wokół amplitud
napięcia w jego półokresach i w miarę wzrostu poboru energii obciążenia
falownika, tj. którą pobiera silnik, zamiast dwu impulsów prądu obserwujemy
niemal

jeden.

Wzrost

obciążenia

prostownika

powoduje

zmniejszenie

współczynnika zawartości harmonicznych prądu w sieci zasilania.

Większość urządzeń elektronicznych zasilania używa tego typu mostków

prostowniczych w układach zasilania. Są to np. komputery, faksy, kserokopiarki,
drukarki i elektronicznie żarówki energooszczędne jak również przemienniki
częstotliwości w układach napędowych AC. W przypadku odbiornika pobierającego
prąd o przebiegu nie będącym sinusoidą, gdy jednocześnie napięcie zasilania jest
sinusoidą, odbiornik taki jest nazywany obciążeniem nieliniowym.

3.2.3. W

SKAŹNIKI CHARAKTERYZUJĄCE ODKSZTAŁCENIA NAPIĘCIA I PRĄDU

Przekształtniki energoelektroniczne są obecnie ważnym źródłem zaburzeń

przewodowych ponieważ pobierany przez nie z sieci zasilania prąd nie jest
sinusoidalny i jego wyższe harmoniczne przenoszą dużą część mocy pobieranej z sieci
zasilania. Wyższe harmoniczne niskich rzędów są przyczyną dużych strat i zaburzeń w

-39-

poprawnej pracy sieci. Wiele prac technicznych ma na celu jedynie minimalizowanie
tych negatywnych skutków. Dalsza część opracowania dotyczyć będzie emisji
przewodowej zaburzeń. Emisja zaburzeń przenoszonych poprzez promieniowanie
elektromagnetyczne charakteryzuje się dużą tłumiennością i jej organicznie jest
technicznie łatwiejsze do realizacji w układach przemysłowych.

Podstawowe własności zaburzeń, harmonicznych prądu niskiej częstotliwości w

sieci zasilania:

zakres częstotliwości: 0 < f < 1do 10 MHz
występowanie - głównie w formie przewodzonej
czas trwania - najczęściej zakłócenia długie (np.100ms). Przy generowaniu

harmonicznych zakłócenie występuje bez przerwy

energia - przewodzona energia może być bardzo duża prowadząca do

nieprawidłowego działania urządzenia, a nawet do jego zniszczenia

Nieliniowe obciążenie

(urządzenie)

Zniekształcenia

prądu – sieć zasil.

Zniekształcenia

napięcia (sieć zasil.)

Impedancja układu
– moc zwarciowa

Wzrost strat w układzie zasilania

Zakłócenia przekazywane

do środowiska

Rys.3.6. Wpływ nieliniowego odbiornika energii na wyst

powanie zaburze

napi

cia w sieci

zasilania.

Odbiornik nieliniowy jako źródło zniekształceń harmonicznych prądu powoduje

zniekształcenia napięcia w sieci zasilania.

Zniekształcenia prądowe związane są z urządzeniami, natomiast zniekształcenia

napięciowe związane są z układem pracy (środowiskiem) danego urządzenia, rys. 3.6.

Dla określenia poziomu zniekształceń napięciowych konieczna jest wiedza o

poziomie zniekształceń prądowych i zwarciowej impedancji układu. Nie jest możliwe
określenie zniekształceń napięciowych jedynie na podstawie znajomości parametrów
napędu. Zniekształcenia napięciowe charakteryzują parametry układu zasilania.
Zniekształcenia prądowe charakteryzują indywidualne cechy urządzenia.

Dla przedstawienia dopuszczalnych poziomów zawartości harmonicznych w

przebiegach napięć lub prądów wprowadzono pojęcie współczynnika THD (Total
Harmonic Distortion). tj. całkowitej zawartości harmonicznych. Jest on odpowiednio
definiowany dla zawartości harmonicznych napięcia i prądu:

-40-

∑

THDu

)

(

∑

THDi

)

(

[ 3.1 ]

gdzie: [U

(lub I

) jest kolejną harmoniczną przebiegu podstawowego U

(lub

), a N - liczbą uwzględnianych harmonicznych.

Współczynnik TDD wyraża procentowy udział zniekształceń w maksymalnym

prądzie obciążenia – zwykle odnoszony do 15 lub 30 min. zapotrzebowania mocy.
TDD jest wielkością wiążącą własności układu zasilania z wartością prądu obciążenia
I

. Wartość prądu obciążenia I

ma decydujący wpływ na wartość współczynnika

TDD,

współczynnik TDD (ang. Total Demand Distortion) wiąże wartości zawartość

harmonicznych prądu z wartością . W standardzie wg American Institute of Electrical
and Electronic Engineers, IEEE- 519-1992, na którym będą opierać się przyszłe normy

[ 3.2 ]

techniczne do budowy urządzeń energoelektronicznych, przedstawiono

dopuszczalne poziomy odkształceń prądu pobieranego przez odbiorniki. Wymagania te
dotyczą wartości kolejnych harmonicznych do rzędu 11. Ponadto dopuszczalna
wartość współczynnika harmonicznych prądu THDi jest uzależniona od wielkości
mocy zwarciowej układu zasilania.

Tab.3.1. Dopuszczalne poziomy zawarto

ci harmonicznych nieparzystych pr

du dla

nieliniowych obci

ąż

w sieciach TN współpracuj

cych z innymi obci

ąż

eniami i

napi

ciach 120V-69.000V wg standardu IEEE-519

obc

<20

20...50

50...100

100...1000

>1000

THDi dla n<11

10%

12%

15%

TDDi

12%

15%

20%

Standard ten określa też wrażliwość urządzeń elektrycznych stosowanych

publicznie na zakłócenia harmoniczne oraz dopuszczalny poziom zniekształceń
harmonicznych napięcia w sieci. IEEE 519 zawiera różne limity dla różnych typów
budynków. Problem ten wizualizuje nam poniższa tabela. Jak widzimy sieci
przemysłowe mają dużo mniej surowe przepisy niż np. budynki mieszkalne. Dlatego
napędy z przemiennikiem częstotliwości nie zawsze muszą posiadać filtry
harmonicznych prądu.

Tab.3.2. IEEE 519 ogólne standardy dla zakłóce

harmonicznych napi

cia.

Klasa zastosowania

THDu (%)

100

max

)

(

⋅

∑

TDD

-41-

Zastosowanie wrażliwe: Lotniska, Szpitale,Telekomunikacja

Zastosowanie ogólne: Biura, Szkoły

Zastosowanie lokalne: Fabryki

10%

W rzeczywistych układach odbiorników nieliniowych stawiane wymagania na

THDi nie da się spełnić bez stosowania filtrów aktywnych lub innych kosztownych
układów kompensacji mocy odkształconej, co powoduje znaczne koszty budowy
instalacji zasilania stają się bardzo duże.

Proste układy przekształtników znacznie przekraczają przedstawione zalecenia

co ilustruje podany niżej przykład współpracy prostownika trójfazowego 3f6d –
rys. 3.4, i 3.5 czy jednofazowego 1f4d – rys. 3.7. Z analizy zawartości harmonicznych
dla różnych konfiguracji prostowników wynika, że współczynnik THDi może w
korzystnych warunkach współpracy z obciążeniem pojemnościowym może wynosić
odpowiednio:

- 41% dla pełno mostkowego prostownika 1-fazowego,
- 31% dla 6 diodowego prostownika mostkowego 3-fazowego,

W układach z 3-fazowym 6-pulsowym prostownikiem sterowanym jest jeszcze

trudniej zapewnić małą zawartość harmonicznych prądu, w zależności od kąta
opóźnienia włączania zaworów, THDi może wynosić nawet 60%.

Rys.3.7. Odbiornik - układ prostownika z obci

ąż

eniem rezystancyjnym – A i dominuj

cym

pojemno

ciowym – B: A – odbiornik liniowy – pr

d sieci zasilania jest sinusoid

, B –

odbiornik nieliniowy - pr

d sieci zasilania nie jest sinusoid

Przy braku kondensatora napięcie na odbiorniku ma przebieg dwu połówkowo

wyprostowanego napięcia sieciowego, a prąd pobierany z sieci ma przebieg
sinusoidalny.

-42-

Po dołączeniu kondensatora, znakomicie zmniejszającego tętnienia napięcia na

odbiorniku rezystancyjnym, układ staje się odbiornikiem nieliniowym, gdyż prąd
pobierany jest impulsowo, w chwili doładowywania kondensatora.

Ogólnie można stwierdzić, że obecność wyższych harmonicznych prądu

zasilania odbiorników nieliniowych jest przyczyną niekorzystnych zjawisk, między
innymi: zakłóceń w pracy innych odbiorników, przegrzewania się transformatorów i
silników, przegrzewania się przewodu neutralnego (głównie w obwodach
jednofazowych), zwiększonych strat w przesyłaniu energii, zniekształceń napięcia sieci
zasilającej [4,5].

Z powodu odkształceń prądu wprowadzanych przez odbiorniki nieliniowe

odkształceniom ulega napięcie sieci, która zasila dołączone do mej odbiorniki liniowe.
Odkształcenia napięcia można przedstawić w formie widma wyższych harmonicznych
napięcia oraz współczynnika THDu.

Podane wymagania, dotyczące jakości energii elektrycznej są pierwszymi

próbami

regulacji

prawnych.

Należy

przypuszczać,

konieczne

będą

międzynarodowe ustalenia i ujednolicenia wymagań, gdyż odbiorniki nieliniowe stają
się coraz bardziej znaczącą częścią obciążeń, a generowane przez nie zakłócenia są
postrzegane jako istotny czynnik wpływający na zawodność urządzeń.

Tab.3.3. Dopuszczalna warto

ci współczynnika THDu

Dokument

THDu

Zawartość pojedynczej harmonicznej

- (Un/U1)x100%

EN50160

1,5...6%

IEEE st.519

Rozp. Min. Gosp. Z 25.09.00(Dz.U.85.p.957)

-43-

Zawartość harmonicznych prądu wprowadzanych do sieci zasilania przez

powszechnie stosowane prostowniki trójfazowe 3F6D można prześledzić na podstawie
rys. 3.8.

Rys.3.8. Współczynnik zawarto

ci harmonicznych THDi pr

du wej

ciowego prostownika

trójfazowego 3F6D w zale

ci od warto

ci indukcyjno

ci dławika AC i DC.

Z rys. 3.8 wynika, że nie ma możliwości obniżenia zawartości THDi w sieci

zasilania poniżej ok. 38% przy powszechnie stosowanych dzisiaj prostownikach 3f6d
jako stopniach wejściowych napięciowych przemienników częstotliwości. Obecnie
przemienniki napięciowe z prostownikiem 3F6D przekraczają moce 500kW przy
zasilaniu z sieci o napięciu 3x400-690V. Uwzględniając THDi przemienników
napięciowych na poziomie 40%, co zapewniają praktycznie wszyscy renomowani
producenci poprzez dołączanie dławików AC lub DC o właściwej indukcyjności,
należy dążyć do zapewnienia obciążenia transformatora zasilającego mocą
odkształconą nie powodującą zniekształcenia napięcia powyżej wartości określonej
normami, zwykle THDu < 3-5% (biura, szkoły, itp.) lub THDu <10% (przemysł) w
miejscu dołączenia innych wrażliwych odbiorników do sieci [5,12].

Spadek napięcia w miejscu włączenia do sieci zasilania wrażliwych odbiorów

powodowany harmonicznymi prądu zależy od impedancji zwarciowej sieci Zsc w tym
miejscu

wartości

harmonicznych

prądu

obciążenia

przekształtnika

energoelektronicznego. Współczynnik mocy zwarciowej określa wyrażenie (SCR –
ang. short circuit ratio), wg wzoru: e

= I

100

110

THDi [%]

Równowa

dławik AC

Typowy
dławik DC

indukcyjno

ś ć

AC lub DC [mH]

-44-

Dla uzależnienia poziomu zniekształceń prądowych w sieci zasilania od

zastosowanego rozwiązania technicznego odbiornika określa się stałą harmonicznych –
H

wg wzoru:

[ 3.3 ]

Dla

wybranych

rozwiązań

technicznych

przekształtników

energoelektronicznych

wyznaczono wartość współczynnika H

, co przedstawiono w tabeli poniżej.

Typ obciążenia

Wartość H

Trójfazowy prostownik diodowy 3F6D > 300
Trójfazowy prostownik diodowy 3F6D
z dławikiem AC/DC

150-350

Prostownik 12 plusowy 3F2x6D

100-150

ponieważ:

[ 3.4

]

wtedy po przekształceniu uzyskujemy:

[ 3.5 ]

Powyższe wyrażenie umożliwia łatwe określenie współczynnika zawartości

harmonicznych napięcia zależnie od prądu maksymalnego obciążenia odbiornika
przekształtnika I

i prądu zwarciowego linii zasilającej I

100













∑

∞

( )

100













∑

∞

THDu

[ ]

THDu

-45-

Przykład obliczeniowy wyznaczania współczynnika THDu w sieci zasilania:

Podano przykład wyznaczenia zniekształceń napięciowych w obwodzie

wtórnym transformatora SN o mocy pozornej 1MVA, przekładni 10/0.48kV, i
współczynniku mocy zwarciowej ex=5%, z którego zasilany jest 200kW przemiennik
częstotliwości z 6pulsowymdiodowymprostownikiem wejściowym, wyposażonym w
dławik DC [13].

Rys.3.9. Schemat układu zasilania przemiennika cz

stotliwo

ci.

Bez przeprowadzania dokładnych obliczeń można przyjąć, że dla

przemienników napięciowych o wartości THDi bliskiej 40%, uzyskujemy THDu w
pobliżu transformatora bliskie 5%, jeśli maksymalna moc czynna przemiennika do
mocy pozornej transformatora wynosi mniej niż 40%. Można dla potrzeb inżynierskich
w typowych warunkach zasilania (e

=5%) ekstrapolować liniowo moc pozorną

transformatora dla wyznaczenia iwartości THDu równej 2.5% i 10%. Badania wartości
THDi i THDu warunkach laboratoryjnych można wyznaczyć na stanowisku
przedstawionym na rys. 3.10.

Rys.3.10. Laboratoryjne

stanowisko

bada

współczynnika

THDi

przemienników

stotliwo

ci.

10/0.48 kV

P=200kW

=250%

Zniekształcenia napi

ciowe okre

lone

dla innych odbiorów doł

czonych do

uzwojenia wtórnego transformatora.

1MVA
e

=5%

3F6D

-46-

Maksymalna moc czynna przemiennika o THDi=40%, wynosi 100kW, wtedy:
THDu = 5% - dla mocy pozornej transformatora: 100:0,4 = 250kVA,
THDu = 10% - dla 125kVA, oraz THDu = 2,5% dla 500kVA.

Tab.3.4. Obliczenia współczynnika THDu w sieci zasilania

Znamionowy prąd transformatora

nom

⋅

1 6

3 480

1 20

Prąd zwarciowy transformatora

nom

1 20 3

0 05

24 1

Znamionowy prąd przemiennika
częstotliwości

nom

⋅

200 3

3 480

241

Stała harmonicznych przemiennika
częstotliwości (H

)

250%

(wartość szacowana)

Współczynnik zniekształceń napięciowych,
THDu

THDu

241

250

THDu

3.2.4. T

RÓJFAZOWY

PROSTOWNIK

DIODOWY

JAKO

GENERATOR

HARMONICZNYCH PRĄDU

Zawartość harmonicznych prądu wprowadzanych do sieci zasilania przez

powszechnie stosowane prostowniki trójfazowe 3f6d można prześledzić na podstawie
badań zilustrowanych na rys. 3.11.

Rys.3.11. Badanie prostownika 3F6D jako generatora harmonicznych pr

du: a - napi

ciowe

przemienniki cz

stotliwo

ci na stanowisku bada

, b - przebieg pr

du przewodowego

na tle przebiegu napi

cia fazowego.

Analizę

widma

prądu

wejściowego

przemiennika

napięciowego

przeprowadzono przy jego nominalnym obciążeniu. Przy niedociążeniu przemiennika
całkowita zawartość harmonicznych w prądzie zasilania wzrasta. Wyniki analizy
przedstawiono na rys. 3.12b. Prostownik 3f6d obciążony napięciowo generuje
harmoniczne nieparzyste niepodzielne przez 3 .

-47-

Rys.3.12. Analiza zawarto

ci harmonicznych w pr

dzie zasilania przemiennika cz

stotliwo

ci a

– przebieg półokresu pr

du zasilania, b – widmo harmonicznych pr

du zasilania

Aby oszacować wpływ niedociążenia przemiennika częstotliwości lub jego

przewymiarowania wyznaczono wartości współczynnika THDi, przy braku obciążenia
i przy obciążeniu nominalnym. Wyniki pomiarów i obliczeń przedstawiono na
rys. 3.11.

Rys.3.13. Zawarto

ść

harmonicznych w pr

dzie zasilania przemiennika cz

stotliwo

ci w funkcji

obci

ąż

enia: a – przemiennik nieobci

ąż

ony, b – przemiennik obci

ąż

ony nominalnie.

Zawartość harmonicznych prądu wprowadzanych do sieci zasilania przez

powszechnie stosowane prostowniki trójfazowe 3f6d można ograniczać poprzez
dodanie odpowiednich dławików wejściowych typu AC lub DC. Wpływ tych
dławików na skuteczność ograniczania harmonicznych prądu jest zbliżony co
przedstawia rys 3.8 [9,10,11].

Stosowanie dławików wejściowych ma decydujące znaczenie dla ograniczenia

zawartości harmonicznych prądu w sieci zasilania. Z rys. 3.11 wynika, że w
instalacjach z przemiennikami częstotliwości zawierającymi prostowniki wejściowe
3f6d nie ma możliwości obniżenia wartości THDi poniżej ok. 38%, jeśli ich tłumienie
harmonicznych dokonywane jest dławikami. Obecnie przemienniki napięciowe z
prostownikiem 3f6d zasilane z sieci niskonapięciowej osiągają moce rzędu 1MW.

a) Analiza harmonicznych pr

du:

bez obci

ąż

enia

(skł. podst.)

38.57 A

THDi

104.52 %

I skuteczne

55.79 A

704 %

5’ta

30.41 A

7’ma

23.64 A

11’ta

10.01 A

13’ta

5.07 A

b)Analiza harmonicznych pr

du:

nominalne obci

ąż

enie

(skł. podst.)

36.22 A

THDi

42.51 %

I skuteczne

39.47 A

310 %

5’ta

12.91 A

7’ma

7.03 A

11’ta

3.06 A

13’ta

2.10 A

-48-

Trzeba uwzględniać generowaną przez nie moc bierną wyższych harmonicznych przy
określaniu mocy transformatorów, przekrojów kabli i wartości zabezpieczeń
nadprądowych i zwarciowych. Uwzględniając THDi przemienników napięciowych na
poziomie 40%, co zapewniają praktycznie wszyscy renomowani producenci poprzez
dołączanie dławików AC lub DC o właściwej indukcyjności, należy dążyć do
zapewnienia obciążenia transformatora zasilającego mocą bierną wyższych
harmonicznych, nie powodującą zniekształcenia napięcia powyżej wartości określonej
normami. Zwykle THDu < 3-5% (biura, szkoły, itp.) lub THDu <10% (przemysł) jeśli
w miejscu dołączenia przemiennika nie ma innych wrażliwych odbiorników.

3.2.5.

KUTKI ODDZIAŁYWANIA ODKSZTAŁCONYCH PRZEBIEGÓW NAPIĘĆ I

PRĄDÓW SIECI ZASILANIA NA PRACĘ UKŁADÓW NAPĘDOWYCH

Odkształcenia prądu i napięcia w sieci elektroenergetycznej powodują

występowanie zakłóceń w pracy i funkcjonowaniu wielu urządzeń oraz w ich
otoczeniu:

•

natychmiastowe, związane tylko z odkształceniem, a nie z czasem
oddziaływania, np. błędne działanie zabezpieczeń, urządzeń sterujących,
regulacyjnych i telekomunikacyjnych w obiekcie energetycznym,

•

długotrwałe, związane z wielkością zakłócającą oraz czasem oddziaływania, np.
przyśpieszone starzenie izolacji maszyn elektrycznych i kabli, dodatkowe straty
mocy w torach prądowych i przeciążenia elementów sieci elektroenergetycznej.

Szczególnie niekorzystnym zjawiskiem jest występowanie odkształceń napięcia.

Harmoniczne zawarte w odkształconych przebiegach czasowych napięć wpływają na
inne elementy systemu elektroenergetycznego, przez co obserwuje się występowanie
niekorzystnych efektów w wielu odbiornikach i urządzeniach podłączonych do
wspólnej sieci, jak np. [6]:

•

zwiększenie strat mocy czynnej w silnikach i transformatorach,

•

przeciążenie prądowe kondensatorów w układach kompensacji,

•

zakłócenie pracy zabezpieczeń i układów sterujących,

•

błędne wskazania przyrządów pomiarowych (np. liczników energii),

•

trudniejsze warunki gaszenia łuku (dla występujących zwarć doziemnych).

3.3.

REALIZACJA WYMOGÓW EMC W INSTALACJACH

NAPĘDOWYCH Z PRZEMIENNIKAMI NAPIĘCIOWYMI

Sposoby realizowania wymogów EMC w gotowych przemiennikach

częstotliwości przeanalizowano na przykładzie zaleceń projektowych i dokumentacji
technicznej przemienników częstotliwości firmy Danfoss serii VLT 5000.

W celu spełnienia wymogów i zaleceń określonych normami i aktami

prawnymi opisanych w poprzednich rozdziałach pracy, dokumentacja techniczna
producenta urządzenia podaje dokładne instrukcje dotyczące zasad wykonania
instalacji, zapewniającej jej wykonanie zgodnie z wymogami EMC.

-49-

3.4. ZGODNOŚĆ Z DYREKTYWĄ EMC 89/336/EWG

W ogromnej większości przypadków przemienniki częstotliwości są

instalowane są przez przeszkolony personel techniczny jako złożony komponent
będący częścią dużego urządzenia, systemu lub instalacji. Należy pamiętać, że
odpowiedzialność za spełnianie wymogów EMC przez całe urządzenie, system lub
instalację spada na instalatora. Jako pomoc dla instalatorów należy wykorzystywać
dokumentację techniczną producenta zawierającą wytyczne instalacyjne dotycząc
EMC. Normy i testy określone dla układu napędowego są spełnione przy założeniu, że
zostały zastosowane instrukcje instalacyjne dotyczące EMC [8].

Ogólne aspekty emisji EMC

Zakłócenia elektryczne przy częstotliwościach w zakresie 150kHz do 30MHz są

zwykle przenoszone przez kable. Zakłócenia indukowane w zakresie 30MHz do 1GHz
generowane są przez falownik przemiennika, kabel zasilający silnika i silnik.

Jak pokazuje rys. 3.14, prądy pojemnościowe w kablu silnika razem z dużą

wartością dU/dt napięcia silnika wytwarzają znaczny prąd upływu. Stosowa- nie kabla
ekranowanego/zbrojonego zwiększa prąd upływu. Dzieje się tak ponieważ kable
ekranowane/zbrojone mają większą pojemność do masy niż kable nieekranowane /
niezbrojone. Jeśli prąd upływu nie jest filtrowany, powoduje duże zakłócenia na
zasilaniu w zakresie częstotliwości radiowych poniżej około 5MHz. Ponieważ prąd
upływu (I

) jest przenoszony z powrotem do przemiennika poprzez ekran (I

), powstaje

w zasadzie tylko niewielkie pole magnetyczne (I

) z ekranowanego kabla zasilającego

silnik.

Ekran ogranicza emitowane zakłócenia, ale zwiększa niskoczęstotliwościowe

zakłócenia przenoszone do sieci zasilającej. Ekran kabla silnika musi być połączony do
obudowy przetwornicy, jak również do obudowy silnika. Najlepszym sposobem
realizacji tego wymagania jest zastosowanie zintegrowanych zacisków kablowych, a
tym samym unikanie skręcania końcówek ekranu, gdyż powoduje to zwiększenie
impedancji ekranu dla większych częstotliwości, co zmniejsza skuteczność
ekranowania i zwiększa prąd upływu (I

Jeśli kabel ekranowany stosowany jest do podłączenia cyfrowej magistrali

komunikacyjnej

np.

Profibus,

przekaźników,

we/wy

sterowania, interfejsu

sygnałowego i hamulca, ekran przewodu sygnałowego musi być montowany do
obudowy na obu końcach. Niemniej, w niektórych sytuacjach, konieczne jest
przerwanie ekranu w celu unikania powstawania pętli prądowych.

-50-

Rys.3.14. Pr

dy upływu do ziemi.

W przypadku gdy ekran ma być umieszczony na płycie montażowej

przemiennika częstotliwości VLT, płyta montażowa musi być wykonana z metalu,
ponieważ prądy ekranu muszą być przenoszone z powrotem do urządzenia. Bardzo
ważne jest również zapewnienie dobrego styku elektrycznego pomiędzy płytą
instalacyjną, poprzez wkręty aż po metalową szafę przemiennika częstotliwości VLT
[3,7].

Jeśli chodzi o samą instalację, mniej skomplikowane jest stosowanie kabli

nieekranowanych.

W celu możliwie maksymalnego zmniejszenia poziomu zakłóceń emitowanych

przez cały system (przemiennik częstotliwości i instalacja elektryczna) ważne jest, aby
kabel silnikowy był możliwie najkrótszy.

Kable z napięciowymi sygnałami, podatne na zakłócenia nie powinny być

kładzione wzdłuż kabli silnika.

Zakłócania radiowe powyżej 50MHz - indukowane będą generowane

szczególnie przez układy sterujące.

Wyniki testów EMC przemienników częstotliwości głównie w zakresie emisji

zaburzeń do otoczenia wykonywane są przez producentów tych urządzeń w typowych
warunkach budowy układu napędowego.

Przykładowe wyniki testów uzyskane podczas badania układu napędowego z

przemiennikiem częstotliwości, z ekranowanym/zbrojonym kablem silnikowym
przedstawiono w tab. 3.5.

Płaszczyzna uziemienia

przewód uziemienia

ekranowanie

linia zasilania

przemiennik

częstotliwości

przewody silnikowe

silnik

-51-

Tab.3.5.

Przykładowe wyniki testów na emisj

zakłóce

przewodzonych dla VLT 5000

emisja

środowisko

środowisko przemysłowe

budynki mieszkalne, handlowe, przemysł lekki

VLT 5001- 5011

380-500V

VLT 5001- 5006

200 240V

norma podst.

EN 55011 klasa A1

EN 55011 klasa B1

EN 55014

konfiguracja

Kabel silnika

Przewodzona

150kHz-

30MHz

Indukowana

30MHz-

1GHz

Przewodzona

150kHz-30MHz

Indukowana

30MHz-1GHz

Przewodzona

150kHz-
230MHz

300m

nieekranowany

tak

nie

50m

ekranowany

tak

nie

VLT 5000 z filtrem

RFI opcjonalnym

150m

ekranowany

tak

nie

150m

ekranowany

tak

nie

VLT 5000 ze

zintegrowanym filtrem

RFI i modułem LC

50m

ekranowany

tak

nie

Uwagi: 1) dla VLT 5011/500V warunek może być spełniony tylko jeśli maksymalna długość kabla
ekranowanego/zbrojonego wynosi 100m. 2) nie dotyczy 5011/500V i 5006/200V.

W celu minimalizacji zakłóceń przewodzonych przenoszonych do sieci

zasilającej oraz indukowanych z systemu z przemiennikiem częstotliwości, kable
silnika powinny być jak najkrótsze, a zakończenia ekranu powinny być wykonane
zgodnie z instrukcjami DTR.

Definicja dopuszczalnych poziomów emisji zaburze

elektromagnetycznych

według normy PN-EN 55011.

Norma ta określa dopuszczalny poziom zaburzeń emitowanych przez

elektryczne wysokoczęstotliwościowe urządzenia przemysłowe, naukowe i medyczne
dla różnych środowisk pracy. Według normy PN-EN 55011 wartości emisji są
dzielone na trzy grupy: A-1, A-2, oraz B-1. Granice tych grup zostały przedstawione w
tab. 3.6.

Klasa A-1, A-2,

- urządzenia używane w środowisku przemysłowym.

Klasa B-1: - urządzenia używane w miejscach zasilania z sieci

publicznej: mieszkania, sklepy, przemysł lekki.

-52-

Tab.3.6. Granice emisji zaburze

wg PN-EN55011.

częstotliwość
w MHZ

klasa A - grupa 2

klasa A - grupa 1

klasa B - grupa 1

środowisko przemysłowe

środowisko mieszkaniowe

przeciętnie

0,15 – 0,50

90 dB (uV)

66 dB (uV)

56-46 dB (uV)

0,50 – 5

76 dB (uV)

60 dB (uV)

46 dB (uV)

5 – 30

80-60 dB (uV)

60 dB (uV)

50 dB (uV)

Na rys. 3.15 przedstawiono graficznie dopuszczalne granice poziomów emisji

zaburzeń elektromagnetycznych wg PN-EN55011.

Rys.3.15. Dopuszczalne granice emisji zaburze

według normy EN 55011.

Tab.3.7. Normy okre

laj

ce dopuszczalne poziomy emisji zaburze

dla okre

lonych

rodowiskach stosowania przekształtników nap

dowych.

Środowisko/Norma

Budynki mieszkalne, handlowe i przemysł lekki

Środowisko przemysłowe

Rodzaj zaburzenia

Przewodzone

Indukowane

Przewodzone

Indukowane

PN-EN 50081-1

Klasa B

PN-EN 50081-2

Klasa A-1

PN-EN 61800-3

Klasa B

Wartości graniczne są rozważane

PN-EN 61800-3

Klasa A-1

Wartości graniczne są rozważane

Odporno

ść

przemysłowych przekształtników na zaburzenia elektromagnetyczne.

Dla potwierdzenia odporności na zaburzenia wytwarzane przez urządzenia

elektryczne producent obowiązany jest przeprowadzić określone testy potwierdzające

100

90

80

70

60

50

40

30

0,1 1 10 100

A-2

A-1

B-1

f [MHz]

uV [dB]

-53-

odporność przemiennika częstotliwości w różnych konfiguracjach pracy wraz
silnikiem i różnymi rodzajami kabla silnikowego.

Testy przeprowadza się zgodnie z następującymi normami podstawowymi:

PN-EN61000-4-2 (IEC 1000-4-2):

Wyładowania elektrostatyczne (ESD).

Symulacja wyładowań elektrostatycznych powodowanych przez istoty ludzkie.
PN-EN 61000-4-3 (IEC 1000-4-3):

Odbierane

promieniowanie

pola

elektromagnetycznego, modulowana amplituda.

Symulacja wpływu urządzeń radarowych i radiowych oraz systemów telefonii

przenośnej.

PN-EN 61000-4-4 (IEC 1000-4-4): Impulsowe stany nieustalone. Symulacja

zakłóceń powodowanych przez przełączanie styczników, przekaźników itp.

PN-EN 61000-4-5 (IEC 1000-4-5):

Udary.

Symulacja zakłóceń powodowanych przez np. bliskie wyładowania

atmosferyczne

ENV 50140: Odbierane pola elektromagnetyczne, modulacja i impulsowa.
Symulacja wpływy telefonii GSM.

ENV 50141: Wysokoczęstotliwościowe zakłócenia przewodzone.

Symulacja wpływu sprzętu radiowego podłączonego do kabli zasilających.
VDE 0160 klasa W2:

Udary napięcia.

Symulacja stanów nieustalonych o dużej energii powodowanych przez np.

przepalenie bezpiecznika, załączanie pojemności korygujących współczynnik mocy
itp. [3].

3.5. LITERATURA DO ROZDZIAŁU

[1 ] Winter R.: Kompatybilność elektromagnetyczna napędów elektrycznych z przekształtnikami
częstotliwości. Napędy i Sterowanie 1999.
[2 ] Pierzgalski W.: Diagnostyka odkształceń przebiegów napięć i prądów w sieciach elektroenergetycznych
niskiego i średniego napięcia. Napędy i Sterowanie – Elektroinstalacje Gdańsk 2000.
[3 ] Charoy A.: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne
Warszawa.
[4 ] Przybylski J., Szulc Z.: Określenie zawartości harmonicznych w napięciu i prądzie zasilającym zakłady
przemysłowe. Napędy Przemysłowe NP’99.
[5] Strzelecki R., Supronowicz H.: Kompensacja wyższych harmonicznych prądów w układzie
hybrydowym złożonym z filtrów biernych. Przegląd elektroenergetyczny 1998.
Warszawa.
[6 ] Kowalski Z.: Cechy i parametry jakościowe energii elektrycznej. Jakość i Użytkowanie Energii
Elektrycznej 1995.
[7 ] Przetwornice częstotliwości VLT 5000 Dokumentacja Techniczno Rozruchowa firmy Danfoss.
[8 ] Harmonics, No.: MN.90.F1.02 – Danfoss A/S.
[9 ] Hansen S.: New Topologies for Connecting Power Electronic Converters to the Utility Grid. Danfoss
Professor Programme in Power Electronics and Drives 1997-2000.
[10] Hansen S. i inni: Line Side Harmonic Reduction Techniques of PWM Adjustable Speed Drives,
Danfoss Drives A/S – 2002.
[11 ] Hansen S. i inni: Simple and advanced methods for calculating Six-Pulse diode rectifier line-side
harmonics. Danfoss Drives A/S – 2002.
[12 ] The Danfoss Harmonic Filter AHF 005 and AHF 010.
[13 ] Szymański J. Harmoniczne prądu wytwarzane przez prostowniki wejściowe przemienników
częstotliwości. Konferencja Naukowo Techniczna TRANSCOMP, Zakopane, Grudzień-2003, PRACE
NAUKOWE ELEKTRYKA NR 1(6) 2003 – PR.

-54-

4. PRZYKLADOWE ROZWIĄZANIA TECHNICZNE INSTALACJI

PREMYSŁOWYCH Z PRZEKSZTAŁTNIKAMI

4.1. BEZPIECZNA OBSŁUGA URZĄDZEŃ

Z PRZEKSZTAŁTNIKAMI ENERGOELEKTRONICZNYCMI

Urządzenia elektroniczne, podobnie jak wszystkie inne urządzenia elektryczne

muszą spełniać wymagania ochrony od porażeń, gwarantujące bezpieczną prace
obsłudze.

Zgodnie z obowiązującą normą PN – 93/E – 05009 każde urządzenie

elektryczne musi być tak wykonane i zainstalowane, aby podczas eksploatacji zarówno
w stanie normalnej pracy, jak i w stanach awaryjnych na dostępnych dla obsługi
elementach i częściach tego urządzenia nie wystąpiło napięcie, które mogłoby stanowić
jakiekolwiek zagrożenie porażeniowe.

W przypadku urządzeń energoelektronicznych dotyczy to obudowy

przekształtnika (konstrukcji szafy), pulpitu sterującego, obudowy silnika elektrycznego
zasilanego z tego urządzenia, jak i metalowej konstrukcji maszyny roboczej

Za niebezpieczne są uznane napięcia przemienne o wartościach skutecznych

wyższych niż 25 V i napięcia stałe przekraczające 60 V.

Zgodnie z ogólnymi zasadami ochrony od porażeń, w urządzeniach

energoelektronicznych stosuje się równoczesną ochronę przed dotykiem bezpośrednim
i pośrednim (tzw. Ochrona podstawowa i dodatkowa) , tab. 4.1.

szczególnych

wymagań

odnoszących

się

urządzeń

energoelektronicznych należy konieczność umieszczania części przewodzących prąd w
obudowie o stopniu ochrony nie niższym niż IP2, tab. 4.2.

Drzwi obudowy powinny być zamknięte na klucz i wyposażone w wyłączniki,

wyłączające przekształtnik z sieci po ich otwarciu. Przekształtniki średniej i dużej
mocy zaleca się instalować w oddzielnym zamkniętym pomieszczeniu.

rodki ochrony pośredniej (dodatkowej) muszą spełniać swoje zadanie w razie

uszkodzenia izolacji roboczej i w razie pojawienia się napięcia na osłonach urządzenia.
Ich działanie polega albo na szybkim samoczynnym wyłączeniu urządzenia, albo na
obniżeniu napięcia dodatkowego na dostępnych przewodzących częściach urządzenia
do wartości nie stwarzającej zagrożenia porażeniowego.

Obowiązująca norma PN – 93/E – 05009 jako zasadniczy środek ochrony

dodatkowej zaleca szybkie wyłączenie napięcia dotyku, zastępując dotychczas stoso-
wane zerowanie i uziemianie. Spełnienie wymogu ochrony przed tzw. Dotykiem
pośrednim, w odniesieniu do urządzeń energoelektronicznych, jest związane ze
stosowaniem: szybkich wyłączników prądu doziemienia, wyłączników przeciwporażen
iowych różnicowo prądowych, miejscowych połączeń wyrównawczych i dodatkowej i
zolacji uzupełniającej o izolację roboczą. obudowy, których elementy są odseparowane
podwójną izolacją galwaniczną od części przekształtnika przewodzących prąd nie
wymagają stosowania dodatkowych środków ochrony od porażeń.

-55-

Sposób wykonania obudów połączeń przeciwporażeniowych w urządzeniach

energoelektronicznych zależy od typu linii zasilającej, do której jest przyłączone to
urządzenie.

Najczęściej urządzenia energoelektroniczne są zasilane z sieci trójfazowych

cztero i pięcioprzewodowych typu TT, TN – C, TN – S, TN – C -S.

Do ochrony od porażeń wykorzystuje się przewody PE lub PEN o przekrojach

nie mniejszych niż 4mm

Cu. Łączy się je z szynami ochronnymi, znajdującymi się

wewnątrz zamkniętych obudów urządzeń energoelektronicznych.

Szyny ochronne urządzeń energoelektronicznych pełnią funkcję zacisku

ochronnego. Najczęściej są wykonane z płaskownika miedzianego (np. o przekroju 2 x
20 mm i długości 1000 mm) i oznaczone symbolem PE.

Do szyn tych przyłącza się oddzielnie obudowę urządzenia, metalowe obudowy

wszystkich przyrządów i aparatów zainstalowanych w szafie przekształtnika, radiatory
bloków elektroizolowanych, drzwi szafy, pulpit sterujący, obudowę maszyny roboczej
lub innego odbiornika zasilanego z przekształtnika oraz metalowe elementy konstrukcji
budynku, instalacji centralnego ogrzewania i instalacji wodnej, znajdujących się w
pobliżu przekształtnika.

Tab.5.3. Ochrona podstawowa i dodatkowa.

Rodzaj

obwodu

elektrycznego

Ochrona podstawowa

Ochrona dodatkowa

Obwody ni-
skiego napię-
cia,
U ≤ 24 V

nie wymaga się osłon jeżeli:
obwody elektroniczne są izolowane
galwanicznie od obwodów energetycznych
podwójną izolacją (tzw. obwody SELV),
obwody energetyczne są izolowane;

stosowanie osłon (wspólnych dla części
energetycznej i sterującej przekształtnika)
jest wymagane, jeżeli obwody
elektroniczne są separowane od obwodów
energetycznych pojedynczą izolacją
galwaniczną

przy uszkodzeniu izolacji w obwodach
elektronicznych stosuje się:
szybkie odłączenie całego urządzenia,
sygnalizację uszkodzenia;

obwody typu FELV zaleca się łączyć
galwanicznie z przewodem ochronnym lub
z uziemieniem

Obwody
energetyczne
o napięciu
U ≤ 1000 V

izolowanie części czynnie przewodzących
prąd, zastosowanie ogrodzeń i przegród
oraz obudów i osłon, zastosowanie barier
(przeszkód), umieszczenie urządzenia w
miejscu niedostępnym (poza zasięgiem
rąk)

należy zastosować jeden lub kilka środków
ochrony z niżej wymienionych: szybkie
wyłączenie urządzenia w razie wystąpienia
na obudowie napięcia przekraczającego
bezpieczną wartość napięcia dotykowego,
wykonanie połączeń galwanicznych
wyrównujących potencjały przedmiotów
na stanowisku pracy, zastosowanie
dodatkowej izolacji do izolacji
podstawowej (tzw. II klasa ochronności),
zwiększenie przekroju przewodu ochronno
– neutralnego PEN, zastosowanie
wyłącznika różnicowo – prądowego
wspomagającego szybkie odłączenie
urządzenia

-56-

rys. 4.1

przedstawiono

schemat

ideowo-blokowy

urządzenia

energoelektronicznego zasilanego z linii TN–S, z zaznaczoną szyną ochronną PE oraz
z typowymi obwodami połączeń przeciwporażeniowych.

W przypadku wystąpienia doziemienia - do czasu zadziałania wyłącznika W,

wyposażonego w człon różnicowoprądowy następuje wyrównanie potencjałów między
obudową urządzenia a innymi, znajdującymi się w pobliżu przyrządami i metalowymi
konstrukcjami, co zapobiega porażeniu napięciem dotykowym.

Należy zauważyć, że kształt przebiegu czasowego jak i wartość prądu zwarcia

doziemnego urządzeń energoelektronicznych zależy nie tylko od parametrów obwodu
doziemienia, lecz także od stopnia wysterowania przekształtnika w chwili wystąpienia
awarii, co może opóźnić działanie zabezpieczeń.

Pulpit
steruj

FELV

Układ
sterowania
i blokad

TN-S

-1

Rys.4.1. Ochrona przeciwpora

eniowa w urz

dzeniu energoelektronicznym zasilanym z sieci

TN-S. PE – przewód ochronny i szyna ochronna wewn

trz szafy, K – konstrukcja

budynku i przewodz

ce cz

ęś

ci maszyny roboczej, IW – instalacja wodna, O –

odł

cznik r

czny, W – wył

cznik główny z członem ró

nicowo-pr

dowym, B – szybkie

bezpieczniki topikowe; nie zaznaczono obwodów przeciwprzepi

ciowych. [1]

-57-

Podczas normalnej eksploatacji obsługa urządzenia energoelektronicznego

prowadzona przez odpowiednio wyszkolony personel techniczny, polega na takich
czynnościach, jak: załączanie i wyłączanie urządzenia, odczyt wskazań przyrządów
pomiarowych, zmiana nastaw parametrów wyjściowych (np. prędkości kątowej
maszyny zasilanej z przekształtnika), przegląd podzespołów bez ich demontażu. Jest
przy tym niezbędne przestrzeganie instrukcji i zaleceń eksploatacyjnych określonych
przez producenta. W czasie pracy urządzenia energoelektronicznego nie wolno
demontować ani wymieniać jakichkolwiek osłon.

Przekazane odbiorcy przemysłowe urządzenie energoelektroniczne wymaga

zainstalowania, uruchomienia i strojenia przy współpracy z zasilanym z niego
obiektem (maszyną) z zachowaniem kolejności czynności określonych w instrukcji
obsługi i przestrzegania zasad bezpieczeństwa. Zwykle ten fragment prac jest
wykonywany przez specjalnie przeszkolonych pracowników serwisowych producenta,
którzy również przeprowadzają czynności w zakresie konserwacji, napraw i remontów
urządzeń energoelektronicznych.

Przed przystąpieniem do jakichkolwiek prac naprawczych należy wyłączyć

urządzenie w taki sposób, aby uzyskać widoczną przerwę izolacyjną pomiędzy
przekształtnikiem a linią zasilającą. Przerwę taką stanowi: widoczne rozwarcie na
bezpieczną odległość zestyków odłącznika, luka powstała po wyjęciu wkładek
bezpiecznikowych lub zdemontowaniu części obwodu zasilania. Ewentualne obwody
pozostawione pod napięciem muszą być wyraźnie wydzielone, osłonięte i tak
oznakowane, aby osoby wykonujące czynności serwisowe wewnątrz przekształtnika
nie uległy porażeniu.

Konstrukcja metalowych szaf, w których instaluje się układy przekształtników

wraz z podzespołami sterującymi, jest przeważnie wykonana z typowych
kształtowników, skręcanych lub zgrzewanych w moduły o rozmaitych – często
zunifikowanych przez producenta wymiarach.

Wielu producentów przyjęło znormalizowane wymiary szaf, wynikające z zale-

canej przez normy międzynarodowe szerokości kaset układów sterujących, równej 19
cali (482,6 mm). Typowe szerokości szaf wynoszą 600, 800 i 1000 mm. Kształtowniki
tworzące podstawową ramę konstrukcji są perforowane, co ułatwia zaprojektowanie
rozstawienia i mocowania we wnętrzu szafy wsporników, do których przykręca się
podzespoły i elementy. Ściany boczne szafy są zwykle przykręcane śrubami, natomiast
z przodu i z tyłu montuje się otwierane drzwi.

Dzięki temu rozwiązaniu wewnętrzna konstrukcja przekształtnika jest, w razie

potrzeby, dostępna ze wszystkich stron. Na zewnątrz szafy na umieszczonej z przodu
płycie czołowej lub drzwiach są instalowane mierniki, wskaźniki sygnalizacyjne oraz
manipulatory (nastawniki potencjometryczne, przyciski sterownicze itp.). Liczba i
rodzaje wskaźników sygnalizacyjnych powinny być tak dobrane, aby dostarczały
obsłudze niezbędnych informacji o stanie układu. Manipulatory powinny być
rozmieszczone zgodnie z zasadami ergonomii i bezpieczeństwa pracy.

Obudowy szaf urządzeń energoelektronicznych powinny zapewniać ochronę

wnętrza szafy przed niekorzystnym oddziaływaniem otoczenia. Te stopnie ochrony

-58-

obudów oznacza się literami IP (z ang. international protection) i umieszczonymi za
nimi dwiema cyframi.

Pierwsza cyfra określa zdolność blokowania dostępu osób przed dotknięciem

części znajdujących się pod napięciem lub części będących w ruchu oraz stopień
ochrony przed przedostawaniem się ciał stałych do wnętrza szafy. Druga cyfra
wskazuje na stopień ochrony obudowy przed przedostaniem się wody do wnętrz
urządzenia. Stopnie ochrony obudów przedstawiono w tab. 4.2.

Tab.5.3. Stopnie ochrony (szczelno

ci) obudów urz

dze

energoelektronicznych

Opis stopnia ochrony oznaczonego kodem IP

Stopnie ochrony określone pierwszą cyfrą kodu

Oznaczenie

cyfrowe

Brak ochrony
Ochrona przed ciałami stałymi większymi niż 50 mm
Ochrona przed ciałami stałymi większymi niż 12 mm
Ochrona przed ciałami stałymi większymi niż 2,5 mm
Ochrona przed ciałami stałymi większymi niż 1 mm
Ochrona przed pyłem nie zapewniająca całkowitej pyłoszczelności
Ochrona zapewniająca pyłoszczelność

0
1
2
3
4
5
6

Stopnie ochrony określone drugą cyfrą kodu

Brak ochrony
Ochrona przed kroplami wody padającymi pionowo

Jak wyżej, przy przechyle urządzeń o

względem ustawienia normalnego

Ochrona przed deszczem padającym pod kątem

Ochrona przed bryzgami wody kierowanymi z dowolnej strony
Ochrona przed strugami wody kierowanymi z dowolnej strony
Ochrona przed falami wody
Ochrona przed zalaniem wodą
Ochrona przed długotrwałym zanurzeniem w wodzie

0
1
2
3
4
5
6
7
8

4.2.

WARUNKI EKSPLOATACJI I KOMPATYBILNOŚCI

URZĄDZEŃ ENERGOELEKTRYCZNYCH

Gwarantowane

przez

wytwórcę

poprawne

działanie

urządzenia

energoelektrycznego jest możliwe przy spełnieniu odpowiednich warunków.
Dotyczące one przede wszystkim środowiska, w którym to urządzenie ma pracować,
jakości linii zasilającej oraz poziomu zakłóceń elektromagnetycznych, oddziałujących
na przekształtnik.

Jednocześnie urządzenie energoelektryczne nie powinno być uciążliwe w

eksploatacji, a w szczególności nie powinno wpływać ujemnie na pracę innych
urządzeń technicznych przede wszystkim elektrycznych. Wzajemne dopasowanie
urządzenia energoelektronicznego do warunków środowiskowych i technicznych jest
nazywane kompatybilnością (z ang. compatibility zgodność, zdolność przystosowania
się). Rozróżnia się przy tym kompatybilność środowiskową (techniczno-klimatyczną),
kompatybilność z linią zasilającą i kompatybilność elektromagnetycnej.

-59-

4.2.6. W

ARUNKI ŚRODOWISKOWE

O warunkach środowiskowych, zwanych także warunkami techniczno-

klimatycznymi, decydują następujące czynniki:

•

temperatura i wilgotność powietrza;

•

zanieczyszczenia powietrza stałymi cząstkami pyłu przewodzącego i nie
przewodzącego prąd;

•

zawartość w powietrzu gazów wybuchowych i par agresywnych chemicznie,
wywołujących korozję i stwarzających niebezpieczeństwo wybuchu;

•

temperatura czynnika chłodzącego;

wysokość położenia miejsca zainstalowania urządzenia pod poziomem morza;
natężenie udarów, drgań i wstrząsów mechanicznych w miejscu zainstalowania

(np. wibracje urządzeń w lokomotywach elektrycznych, na statkach, w obrabiarkach
itp.).

Norma IEC 146-1-1 określa tzw. normalne warunki eksploatacji, podając

dopuszczalne zakresy zmian niektórych z wymienionych czynników środowiskowych.
Zasadniczym elementem środowiskowym decydującym o poprawnej pracy urządzenia
energoelektronicznego jest temperatura otoczenia i temperatura czynnika chłodzącego.

W czasie transportu i składania, temperatura powietrza otaczającego urządzenie

energoelektroniczne powinna mieścić się w przedziale -40

+55

C. Podczas pracy

urządzeń wnętrzowych, gdy chłodzące powietrze jest pobierane z otoczenia, jego
temperatura powinna mieścić się w przedziale 0

+40

C. Często jest konieczne

odprowadzenie ciepłego powietrza z pomieszczenia, w którym pracuje przekształtnik.

Rys.4.2. Zale

ść

dopuszczalnej wzgl

dnej obci

ąż

alno

ci urz

dze

energoelektronicznych: od

wysoko

ci - h, ich lokalizacji (krzywa h), oraz temperatury T powietrza otoczenia

(krzywa T)

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1000

2000

3000

4000

-60-

Tab.4.3. Dopuszczalne chwilowe ekstremalne temperatury czynnika chłodz

cego na

wej

ciu systemu chłodzenia (wg PN – IEC 146-1-1)

Dopuszczalna temperatura [

]

Czynnik

Minimalna

Maksymalna

Powietrze

Woda

Olej

-5

+40
+30
+30

Przy chłodzeniu wodnym temperatura otoczenia nie może być niższa niż zero.
W tablicy 4.3. podano dopuszczalne zmiany temperatury czynników

chłodzących na początku ich obiegu w systemie chłodzenia. Średnia dzienna
maksymalnych temperatur czynników chłodzących na początku obiegu (przy wlocie
do obudowy) nie może przekraczać +30

C, a średnia roczna +25

Minimalna dopuszczalna wartość wilgotności względnej otaczającego

powietrza wynosi 15%. Standardowe konstrukcje urządzeń energoelektronicznych są
projektowane dla powietrza czystego, pozbawionego jakichkolwiek cząstek stałych,
gazów i par (stopień zanieczyszczenia 1 wg PN-91/E-08109) oraz przy założeniu, że
nie występuje zjawisko kondensacji pary (brak szybkich zmian temperatury i ciśnienia
atmosferycznego). Zakłada się również, że urządzenie będzie zainstalowane w miejscu
położonym na wysokości nie przekraczającej 1000 m nad poziomem morza.

Warunki środowiskowe o parametrach innych niż wymienione wyżej są

uznawane jako nienormalne i powinny być przedmiotem specjalnych uzgodnień
między dostawcą a użytkownikiem.

Jako przykładowe, często występujące w praktyce nienormalne warunki pracy

można wymienić :

wodę chłodzącą, zawierającą składniki powodujące korozję lub

niedrożność instalacji (np. woda twarda, woda morska);

obce

cząstki

otaczającym

powietrzu

(np.

duży

stopień

zanieczyszczenia i kurz);

zawartość domieszek eksplozyjnych w powietrzu, w tym pyłków i

gazów;

powietrze o dużej zawartości gazów i par korozyjnych (np. w pobliżu

morza, spaliny, opary kwasów);

dużą

wilgotność

względną

wysokie

temperatury

rednie,

odpowiadające warunkom klimatu subtropikalnego i tropikalnego;

szybkie zmiany temperatury otoczenia powyżej 5 K/h) i wilgotności

względnej (przekraczające 5%/h), wywołujące efekt skraplania;

pracę w temperaturach niższych niż minimalne dopuszczalne

temperatury środka chłodzącego, (tzw. Arktyczne warunki pracy), występujące np. w
urządzeniach trakcyjnych;

miejsce zainstalowania powyżej 1000 m nad poziomem morza;

-61-

udary i wibracje oraz inne naprężenia mechaniczne o dużej

intensywności.

Specjalne wymagania są stawiane urządzeniom przeznaczonym do pracy w

obszarach zagrożonych wybuchem i w pomieszczeniach o wyjątkowym zagrożeniu
pożarowym. Muszą one charakteryzować starannym wykonaniem wszelkich połączeń,
gwarantujących pracę bez iskrową.

Obudowa takich urządzeń musi być szczelna (tzw. Zamknięta) o stopniu

ochrony IP44 lub IP54, tab.4.2.

Przekształtniki instalowane w środowisku o dużym zapyleniu i dużej

wilgotności muszą wykazywać odporność na te czynniki. Uzyskuje się ją poprzez
spełnienie wymagań w zakresie koordynacji izolacji. W przekształtnikach takich
stosuje się m.in.:

zwiększone odstępy izolacyjne między przewodami czynnie przewodzącymi prąd

(np. odstępy izolacyjne między przewodami ułożonymi na powierzchni
materiału izolacyjnego muszą być nawet czterokrotnie większe niż w
powietrzu);

obwody drukowane pokrywane lakierem, żywicą lub zalewane specjalną masą

izolacyjną;

materiały izolacyjne nie pochłaniające wilgoci (np. porcelana);
pyłoszczelne obudowy zamknięte;

Przy

chłodzeniu

powietrznym,

intensywność

odparowywania

ciepła

wydzielanego

urządzeniu

energoelektronicznym

zależy

ciśnienia

atmosferycznego, którego wartość jest m.in. związana z wysokością miejsca
zainstalowania przekształtnika nad poziomem morza.

Na rys. 4.2 przedstawiono przykładowe wykresy ilustrujące redukcję

osiąganych

mocy

wyjściowych,

odniesionych

mocy

znamionowych

przekształtników w zależności od wysokości ich zainstalowania oraz od temperatury
otoczenia przy zmianach tych czynników w warunkach uważanych za normalne i
nienormalne [1].

W wielu przypadkach przekształtniki muszą wykazywać odporność na wibracje

i udary mechaniczne, które mogą wywoływać drgania rezonansowe przewodów i
innych podzespołów, powodując pęknięcia lub inne uszkodzenia mechaniczne.
Przekształtniki narażone na takie warunki pracy są odpowiednio konstruowane i
poddawane badaniom wstrząsowym.

Na przykład urządzenia przeznaczone do zamontowania na lokomotywach

elektrycznych w trakcie badań są wprowadzane w drgania o częstotliwościach
1

100Hz, z przyspieszeniem 30m/s

w trzech kierunkach.

Niekorzystny wpływ urządzeń przekształtnikowych na otoczenie (w tym

również na personel obsługujący) dotyczy przede wszystkim hałasu, wywołanego
pracą wentylatorów oraz drgań uzwojeń, blach dławików i transformatorów.

-62-

Maszyny elektryczne zasilane z przekształtników -z uwagi na odkształcone

przebiegi czasowe prądów są również źródłem hałasu. Niedogodnością jest także
wzrost

temperatury

powietrza

pomieszczeniach

zainstalowanymi

przekształtnikami. [1]

4.2.7. E

LEKTRYCZNE

WARUNKI

PRACY

KOMPATYBILNOŚĆ

ELEKTROMAGNETYCZNA

Ciągle wzrastająca liczba różnych odbiorników przyłączanych do systemu

elektroenergetycznego wpływa na intensywność wzajemnego oddziaływania między
tymi odbiornikami, prowadzącego najczęściej do pogorszenia ich elektrycznych
warunków pracy. Oddziaływanie to odbywa się za pośrednictwem wzajemnych
sprzężeń galwanicznych przez sieć zasilającą oraz przez fale elektromagnetyczne
emitowane przez poszczególne odbiorniki (z ang. electromagnetic interferencje –
EMI).

Problemy wzajemnego oddziaływania odbiorników na elektryczne warunki ich

eksploatacji wchodzą w zakres kompatybilności elektromagnetycznej (z ang.
electromagnetic compatibility - EMC) urządzeń elektrycznych, a w tym i
kompatybilności z linią zasilającą.

Przekształtniki energoelektroniczne oddziałują niekorzystnie na linię zasilającą i

są źródłem zakłóceń elektromagnetycznych. Same są też wrażliwe na zakłócenia
docierające zarówno od strony źródła zasilania, jak i za pośrednictwem pól
elektromagnetycznych wytwarzanych we własnych obwodach głównych oraz
emitowanych przez inne urządzenia.

Elektryczne warunki pracy urządzeń energoelektronicznych są określone przede

wszystkim parametrami linii zasilającej prądu przemiennego lub stałego,
intensywnością różnego rodzaju zakłóceń elektromagnetycznych oraz rodzajem
obciążenia.

4.2.8. Z

ASILANIE NAPIĘCIEM PRZEMIENNYM PRZEKSZTAŁTNIKÓW

Na niezawodną i bezpieczną pracę przekształtników sieciowych zasadniczy

wpływ ma jakość napięcia przemiennego jedno- lub trójfazowej linii zasilającej. O
jakości tego napięcia decydują następujące czynniki:

długo i krótkotrwałe różnice wartości skutecznej napięcia linii w odniesieniu do

skutecznej wartości znamionowej;

stopień odkształcenia przebiegu czasowego napięcia linii od idealnego

przebiegu sinusoidalnego;

wolno- i szybkozmienne różnice częstotliwości napięcia linii w odniesieniu do

częstotliwości znamionowej;

asymetria napięcia linii wielofazowych, określona w radianach albo jako

zawartość składowej symetrycznej przeciwnej wyrażona w procentach
składowej symetrycznej zgodnej.

-63-

Znamionowe

wartości

skuteczne

napięć

przemysłowych

linii

elektroenergetycznych wewnątrzzakładowych wynoszą 230V, 400V, 500V, lub 600V,
przy znamionowej wartości częstotliwości równej 50Hz. W zależności od poziomu i
zakresu zmian wymienionych czynników rozróżnia się sieci elektroenergetyczne
przeznaczone tylko do zasilania przekształtników energoelektronicznych, sieci
ogólnego użytku (obciążone także maszynami prądu przemiennego) oraz sieci
wysokiej jakości, przeznaczone do zasilania odbiorników o dużej wrażliwości na
zmiany warunków zasilania.

Zgodnie z normą PN-IEC 146-1-1 przekształtniki zasilane z danego rodzaju

sieci elektrycznej muszą być odporne (dopasowane) na występujące w niej zmiany i
zniekształcenia napięcia. W zależności od rodzaju sieci, rozróżnia się trzy klasy
odporności przekształtników spełniające warunki kompatybilności z tymi sieciami,
określone w tabl. 4.4 symbolami A, B, C.

Tab.4.4. Klasy odporno

ci przekształtników sieciowych (wg PN-IEC 146-1-1)

Klasy odporności

Zmiany napięcia i częstotliwości linii zasilającej

Możli-wy
skutek

Zmiany napięcia w stanie ustalonym, %

+10/-10

+10/-5

Krótkotrwałe zmiany napięcia
(0,5

30 okresów), %;

praca prostownikowa (U

dN ,

)

praca falownikowa (U

, I

)

+15/-15
+15/-15

+15/-10
+15/-10

+15/-10
+15/-7,5

T
T

Wskaźnik zawartości wyższych harmonicznych, %

Zawartość składowych harmonicznych w stanie ustalonym, %:
składowe nieparzyste
składowe parzyste

12,5
2

5
2

2,5
1

F
F

Załamania komutacyjne w stanie ustalonym:
głębokość (w % amplitudy U

LWM

)

powierzchnia (% razy st. elekt.)

100
625

40
250

20
125

T
T

Zakres zmian częstotliwości, %

+2/-2

+1/-1

Szybkość zmian częstotliwości, %/s

+2/-2

+1/-1

W stanie ustalonym

Asymetria
napięcia
trójfazowego*,
%:

zmiany krótkotrwałe:
tylko praca prostownikowa
praca prostownikowa
i falownikowa

5

5

3

2

T

T

*Składowa symetryczna przeciwna podawana w procentach składowej symetrycznej zgodnej.

Przekroczenie dopuszczalnych tolerancji wielkości charakteryzujących jakości

linii zasilającej może spowodować:

utratę

właściwości

przekształtnika

polegającą

np.

zmniejszeniu

dopuszczalnej mocy wyjściowej (poziom skutku F);

przerwę w pracy na skutek zadziałania zabezpieczeń (poziom skutku T) z

automatycznym ponownym załączeniem po zaniku zakłóceń bądź z załączeniem
wymagającym interwencji obsługi (np. wymiana bezpieczników);

stałe uszkodzenie przekształtnika (poziom skutku D), które może wystąpić np. na

skutek dużego przepięcia w sieci, niszczącego przyrządy półprzewodnikowe.

-64-

Jeśli przyszły użytkownik nie precyzuje warunków zasilania, zwykle przyjmuje

się klasę odporności B.

Wymagania klasy A stosuje się do urządzeń przeznaczonych do pracy w

trudnych warunkach zasilania, występujących np.: przy bezpośrednim przyłączeniu
kilku przekształtników do wspólnego transformatora bądź też w przypadku sieci
autonomicznych (okrętowych, zespołów prądotwórczych itp.) o małej mocy
zwarciowej.

Przekształtnik

klasy

są

zalecane

także

przypadku,

gdy

prawdopodobieństwo przekroczenia warunków zasilania przypisanych klasie B lub C
jest niewielkie, ale skutki awarii byłyby kosztowne lub niebezpieczne.

Dotyczy to również przypadku, gdy przewiduje się przyłączenie następnych

przekształtników lub innych odbiorników negatywnie oddziałujących na linię
zasilającą. Produkcja oraz eksploatacja przekształtników o wysokiej odporności jest
bardzo kosztowna.

Wymagania klasy B stosuje się do przekształtników zasilanych z sieci

elektroenergetycznej ogólnego przeznaczenia łącznie z innymi odbiornikami prądu
przemiennego, np. z różnego rodzaju silnikami. Przekształtniki wykonane w klasie B
mogą być także stosowane w trudnych warunkach zasilania, jeśli przewiduje się
dodatkowe środki poprawiające te warunki (np. tłumiki przepięć transformatory
separujące, filtru wyższych harmonicznych, kompensatory itd.) tak by odpowiadały
one niższemu poziomowi zakłóceń od wymagań klasy B.

Przekształtniki klasy C mogą być zainstalowane w rozgałęzionych sieciach

niewielkiej mocy o stałym obciążeniu, jednak przy zachowaniu dużej wartości
stosunku mocy zwarciowej sieci do mocy pozornej wejściowej przekształtnika. Przy
spełnieniu tego warunku nie nastąpi istotna zmiana poziomu zniekształcenia napięcia
linii.

Należy pamiętać, że zniekształcenia napięcia linii powodowane przez

przyłączony do niej przekształtnik, sumowane ze zniekształceniami już występującymi
w tej linii, nie mogą przekroczyć granic ustalonych dla danej klasy odporności
instalowanego przekształtnika. Przeważnie spełnienie tego wymagana wiąże się z
koniecznością stosowania dławików sieciowych bądź transformatorów. Wyjątek mogą
stanowić tylko przekształtniki o klasie odporności A.

Nieokresowe odkształcenia przebiegu czasowego napięcia linii zasilającej mają

przeważnie charakter impulsów przepięciowych. W przypadku linii średnich i niskich
napięć odkształcenia te są związane głównie z procesami załączania i wyłączania
odbiorników w stanie zwarcia (np. przepalenie bezpieczników), a w przypadku linii
napowietrznych – również z wyładowaniami atmosferycznymi. Przepięcia będące
wynikiem procesów łączeniowych mogą osiągnąć wartości dochodzące do 2,5-krotnej
amplitudy napięcia znamionowego.

Uderzenia piorunów w przewody linii napowietrznej wywołują przepięcia

dochodzące do dziesięcio a nawet stukrotnej wartości amplitudy napięcia
znamionowego.

-65-

Oprócz niepowtarzalnych impulsów przepięciowych w przebiegach czasowych

napięć wejściowych przekształtników sieciowych występują odkształcenia okresowe,
będące wynikiem procesów komutacyjnych, zachodzących w tych przekształtnikach i
w przekształtnikach sąsiednich, zasilanych w tej samej linii.

Odkształcenia te mają charakter tzw. załamań komutacyjnych, które w

początkowej i końcowej fazie wykazują oscylacje o kształcie okresowych impulsów
przepięciowych.

Na rys. 4.3 przedstawiono przykładowy przebieg czasowy napięcia

przemiennego, wykazujący impulsowe przepięcia niepowtarzalne o wartości szczy-
towej U

LSM

oraz załamania i przepięcia komutacyjne, dla trójfazowego przekształtnika

mostkowego (diodowego lub tyrystorowego).

Odchylenia przebiegu czasowego napięcia linii zasilającej od przebiegu

sinusoidalnego można scharakteryzować podając odpowiednie parametry opisujące
impulsy przepięciowe i załamania komutacyjne oraz podając zawartości wyższych
harmonicznych odkształconego napięcia.

Zgodnie z normą impulsy przepięciowe mają charakterystyczne następujące

parametry (w nawiasach podano typowe wartości):

energia przejściowego przebiegu impulsowego w J (np. 400S

przy przerwaniu

prądu pracy jałowej transformatora o mocy znamionowej S

w MV

⋅

A);

czas narastania impulsu 0,1

0,9 wartości szczytowej (np. 1

s);

powtarzalna wartość szczytowa napięcia, wyrażona stosunkiem U

LRM

LWM

(np.

1,25);

niepowtarzalna wartość szczytowa napięcia, wyrażona stosunkiem U

LSM

LWM

(np. 2

2,5 przy zastosowaniu typowego obwodu tłumiącego);

czas trwania ponad 0,5 wartości szczytowej impulsu przypadkowego (np. 1

300

s).

LWM

LRM

LSM

∆

-66-

Rys.4.3. Przykładowy przebieg czasowy napi

cia przemiennego zasilaj

cego przekształtnik

sze

ciopulsowy mostkowy. U

LWM

– warto

ść

szczytowa robocza napi

cia fazowego linii,

LRM

– warto

ść

szczytowa powtarzalna napi

cia linii, U

LSM

– warto

ść

szczytowa

niepowtarzalna napi

cia linii, t

– czas trwania ponad 0,5 warto

ci szczytowej

niepowtarzalnej napi

cia linii, A – powierzchnia załamania komutacyjnego

Dobierając klasy napięciowe elementów półprzewodnikowych wchodzących w

skład przekształtników sieciowych, należy uwzględnić zarówno przepięcia impulsowe
występujące

linii

zasilającej

miejscu

zainstalowania

urządzenia

energoelektronicznego, jak i zastosowane środki zabezpieczające.

W zależności od użytej aparatury rozdzielczej, rodzaju elementów tłumiących

przepięcia (odgromniki, warystory, kondensatory, filtry reaktancyjne) w instalacjach o
napięciu 230/400 V mogą wystąpić przepięcia impulsowe o wartościach szczytowych
dochodzących do 6 kV. Przekształtniki zasilane z takich instalacji są projektowane
najczęściej na napięcia o wartościach szczytowych 2,5 kV.[1]

Przy danym obciążeniu i kącie wysterowania przekształtnika sterowanego

fazowo, wartość głębokości załamania komutacyjnego

∆

U oraz kąt komutacji

zależą

od indukcyjności linii L

i indukcyjności dławików sieciowych bądź indukcyjności

rozproszenia transformatora przekształtnikowego L

.rys. 4.4. Indukcyjności L

i L

są

połączone w czasie komutacji szeregowo, tworząc dzielnik indukcyjny. Im mniejsza
jest reaktancja linii X

w stosunku do reaktancji dławika sieciowego X

tym mniejsze są załamania komutacyjne.

Odbiornik

L1,L2,L3

L1’,L2’,L3

2L I

L d

S d

2’1’

-67-

Rys.4.4. Zasilanie przekształtnika sieciowego: a) schemat zast

pczy systemu zasilania; b)

przebiegi czasowe napi

cia zasilaj

cego w czasie komutacji

Względną wartość załamania komutacyjnego można wyrazić zależnością

LWM

∆

(4.1)

W celu zachowania określonej wartości tego załamania należy zastosować

dławiki sieciowe o reaktancji

min

−

(4.2)

Przy czym S

jest mocą zwarciową linii, wyrażoną zależnością:

(4.3)

Przy opisie odkształceń napięcia sieci za pomocą składowych harmonicznych

wykorzystuje się następujące wskaźniki:

(4.4)

∑

∞

(4.5)

przy czym

– współczynnik zawartości harmonicznej n-tego rzędu;

–

współczynnik zawartości wyższych harmonicznych (globalny lub wypadkowy
współczynnik odkształcenia); U, U

– wartość skuteczna odkształconego napięcia linii

i n-tej harmonicznej tego napięcia.

W przypadku, gdy kilka przekształtników jest połączonych do tych samych

zacisków linii zasilającej bądź tych samych końcówek uzwojenia wtórnego
transformatora przekształtnikowego, nie należy spodziewać się, aby ogólna
powierzchnia wszystkich załamań komutacyjnych podczas jednego okresu napięcia
linii przekroczyła czterokrotną powierzchnię podaną dla pojedynczego podstawowego
załamania komutacyjnego. [1]

4.3. MODELE PRZEKSZTAŁTNIKÓW Z ODBIORNIKAMI

Przy projektowaniu obwodu sterowania do urządzeń energoelektronicznych nie

jest praktycznie możliwe pominiecie właściwości współpracującego z tym
przekształtnikiem odbiornika.

-68-

Niezbędne jest stosowanie modelu obejmującego zjawiska i charakterystyki,

które są decydujące dla sterowanego procesu (lub procesów) i jednocześnie
dopasowanego do przyjętej metody sterowania i struktury systemu. Zagadnienie
wyboru czy tworzenia modelu systemu ma kluczowe znaczenie dla łatwości i jakości
sterowania.

Szczególnego rozważania wymagają takie zagadnienia, jak dokładność i

liniowość, stopień złożoności czy przejrzysta interpretacja przyjętego modelu. Często
konieczne jest posługiwanie się kilkoma modelami o różnym stopniu złożoności i
dokładności dla porównania i wyboru modelu najbardziej zgodnego z doświadczeniem.

Głównym obszarem zainteresowania dotyczącym układów sterowania są

właściwości systemu w stanach dynamicznych, a zatem ich zdolność do stabilnej pracy
przy szybkim osiąganiu zadanych wielkości wyjściowych (np. prądu, napięcia,
prędkości obrotowej). Oznacza, to, że model musi uwzględniać nie tylko
charakterystyki statyczne, ale również właściwości dynamiczne obiektu z
przekładnikiem.

Przekształtnik jako główny blok wykonawczy w torze sterowania obiektem

(odbiornikiem)

stanowi

konfigurację

elementów

liniowych

(dłąwików,

kondensatorów) i łączników (przyrządów półprzewodnikowych), których nie liniowość
wynika z ich zasady działania.

Ponieważ w urządzeniach energoelektronicznych czas trwania cyklu

Łączeniowego przy formowaniu i sterowaniu wielkości wyjściowych przekształtnik
jest znacznie krótszy od stałych czasowych odbiornika lub stosowanego na wyjściu
filtru, możliwe jest zastosowanie metody uśrednienia wartości napięć i prądów w
pewnym przedziale czasu, zwykle równym cyklowi przełączeń.

Model przekształtnika sformułowany dla uśrednionych wartości napięć i

prądów podlega ogólnym prawom analizy obwodów.

Typowe przykłady operacji uśredniających prowadzących do liniowego modelu

przekształtnika zostały pokazane na rys. 4.5.

Prosty układ łącznika jako impulsowego regulatora napięcia stałego, rys. 4.5a

może być traktowany jako człon proporcjonalny, którego napięcie wyjściowy jest
równe wartości średniej za okres impulsowania. Ponieważ napięcie na wyjściu łącznika
zależy od stanu przewodzenia łącznika (tzw. funkcji łączeń), procedura uśrednienia
może zostać sprowadzona do samej funkcji łączeń S(t).

Ilustrują to przebiegi, z rys. 4.5b sygnał sterujący przekładnika U

podlega

przetworzeniu na sygnał impulsowy o wartości maksymalnej równej 1 i
współczynniku wypełnienia proporcjonalnym do napięcia sterującego.

W większości przypadków, z uwagi na dużą częstotliwość łączeń, pomija się

efekt opóźnienia w sterowaniu napięciem związany z czasem martwym wynikającym z
okresu impulsowania.

Obwód wyjściowy przekształtnika w rozpatrywanym przykładzie odpowiada

typowemu obciążeniu -obwodowi RL, który występuje w przypadku regulacji prądu.

-69-

Oznacza to, że elementarny obwód regulacji spotykany w energoelektronice

może być rozpatrywany jako człon pierwszego rzędu o stałej czasowej T= L

wzmocnieniu odpowiadającym wzmocnieniu przekształtnika impulsowego.

Rys.4.5. Model

przekształtnika

impulsowego

zasilanego

ródła

napi

cia.

a) schemat układu, b) przebiegi w modelu przy skokowej zmianie wielko

ci steruj

cej,

c) schemat blokowy układu jako członu regulacji

Niekiedy

opóźnienie

wywołane

dyskretnym

procesem

sterowania

przekształtnika nie powinno być pominięte przy formułowaniu dynamicznego modelu.
Typowy przykład takiej sytuacji odpowiada sterowaniu tyrystorowego prostownika.

Zgodnie ze schematem, rys. 4.6a zmiana wejściowego sygnału sterującego

powoduje reakcję układu z opóźnieniem, rys. 4.6b, którego wartości może nie zmieniać
od 0 do T/p (gdzie T- okres napięcia sieci zasilającej, p- liczba pulsów prądu
wyjściowego w okresie). Dla odzwierciedlenia opóźnienia przyjmuje się, że oprócz
członu wzmacniającego jest reprezentowany przez człon opóźniający e

-sT

. [1]

-70-

Rys.4.6. Model prostownika tyrystorowego.; a) schemat układu; b) przebiegi napi

ęć

; c) schemat

zast

pczy prostownika tyrystorowego pracuj

cego w obwodzie regulacji pr

du jest

reprezentowany przez model blokowy.

Zgodnie z ogólnym założeniem podstawowe metody projektowania i syntezy

układów regulacji dotyczą układów liniowych. Brak liniowości systemu przekładnika
ze sterowanym przez niego obiektem jest niestety dosyć częstym przypadkiem.
Konieczne jest wtedy dokonanie odpowiednich transformacji prowadzących do
linearyzacji modelu.

Dobry przykład stanowi tu omawiany prostownik tyrystorowy (rys. 4.6a).

zależność miedzy wartością średnią napięcia wyjściowego a sygnałem sterującym –
kątem późnienia załączenia jest opisana funkcją trygonometryczną (cos). W celu
uzyskania liniowości konieczne jest wprowadzenie na wejściu układu sterowania
prostownika bloku (nastawnika kąta) odwzorowującego funkcję odwrotną do
reprezentowanej przez sam przekształtnik.

Stosowanie do tego w modelu prostownika należy, rys. 4.7 w torze sterowania

uwzględnić blok, ,,arc cos’’, dzięki czemu uzyska się pełną linearyzację zależności
między sygnałem wejściowym i wyjściowym.

Rys.4.7. Metoda linearyzacji układu sterowania prostownika tyrystorowego

Innym sterowanym z przekładnika i trudnym do linearyzacji obiektem jest

trójfazowa maszyna indukcyjna. Sprzężenia elektromagnetyczne występują między
fazami prowadzą do występowania nieliniowych zależności uniemożliwiających

-71-

niezależne sterowanie strumieniem magnetycznym (wzbudzeniem) i momentem.
Metodą powszechnie stosowaną do rozwiązania tego zadania jest wprowadzenie
transformacji nieliniowej, która powoduje utworzenie modelu o odsprzężonych
zmiennych sterowanych. [2]

4.4. LITERUTURA DO ROZDZIAŁU

[1] Poradnik inżyniera energoelektronika. Mieczysław Nowak, Roman Barlik.(roz.37).
[2] Mgr inż. A. Michalski, Mgr inż. A. Pyka Mgr inż. F. .Szczucki, Centrum EMAG,
Katowice. Bezpieczeństwo w elektryce

5. ZABEZPIECZANIE SILNIKÓW ZASILANYCH Z POŚREDNICH

PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI

Przekształtniki energoelektroniczne na dobre zadomowiły się w obwodach

silników elektrycznych i to w roli, przede wszystkim jako rozruszniki umożliwiające
„łagodny rozruch” (ang. Softstart) i różnorodne procedury hamowania i zatrzymywania
silników oraz jako regulatory prędkości obrotowej. W powiązaniu z układami
mikroprocesorowego sterowania, swobodnie programowalnymi przez użytkownika,
powstają układy napędowe o cechach eksploatacyjnych i charakterystykach
technicznych dawniej niewyobrażalnych. Mimo wysokiego kosztu inwestycyjnego
łatwo uzasadnić ich opłacalność w odpowiedzialnych zastosowaniach. Prostsze i tanie
rozwiązania przekształtników spotyka się w urządzeniach, którym stawia się
niewygórowane wymagania, również w sprzęcie powszechnego użytku.

Silniki powiązane z przekształtnikami podlegają ogólnym zasadom

zabezpieczania obwodów silnikowych z uwzględnieniem ogólnych narażeń, jakim
podlegają, i szczególnych możliwości, jakie daje bogate wyposażenie w przetworniki,
czujniki i mierniki układów przekształtnikowych do zastosowań przemysłowych.
Sprawę komplikuje mała odporność na przetężenia i przepięcia zaworów
półprzewodnikowych, bo i sam przekształtnik, na ogół znacznie droższy niż silnik,
wymaga wyrafinowanych układów zabezpieczeń. Stosowane rozwiązania są złożone i
różnorodne, bo dotyczą przekształtników i silników o różnej zasadzie działania i
koncepcji budowy, o różnych zakresach napięcia znamionowego i mocy znamionowej.
Te pozornie niepodobne rozwiązania techniczne opierają się jednak na tych samych
zasadach elektrotechniki stosowanej, na tych samych uznanych regułach technicznych
ujętych w normach i przepisach, i te ogólne zasady trzeba wyraźnie dostrzegać.
Przegląd różnorodnych stosowanych układów silnik-przekształtnik i ich zabezpieczeń
byłby grubą księgą. W poniższym tekście chodzi raczej o wytyczenie drogowskazów
pomocnych w większości sytuacji, a podawane informacje szczegółowe odnoszą się do
układu najpowszechniej stosowanego: trójfazowego niskonapięciowego silnika
klatkowego zasilanego poprzez pośredni przemiennik częstotliwości z instalacji prądu
przemiennego o układzie TN.

-72-

5.1. PRZEGLĄD ZABEZPIECZEŃ OBWODÓW SILNIKOWYCH

Silnik zasilany z przekształtnika pozostaje silnikiem i dotyczą go ogólne

wymagania dotyczące zabezpieczania silników i obwodów silnikowych. Informacje
podawane w tym rozdziale dotyczą wprawdzie wszelkich niskonapięciowych silników
trójfazowych, ale są ukierunkowane na specyfikę zasilania silnika z przekształtnika,
zwłaszcza z pośredniego przemiennika częstotliwości. Nie uwzględniają jednak
szczególnych narażeń silnika i aparatów zabezpieczających w obwodzie z
przekształtnikiem, co jest tematem dalszych rozdziałów.

5.1.1. Z

ABEZPIECZENIE PRZED SKUTKAMI ZWARĆ ZEWNĘTRZNYCH

(

PRZEWODACH ZASILAJĄCYCH

)[

]

Zabezpieczenie zwarciowe jest wymagane w każdym obwodzie, a więc również

w każdym obwodzie silnikowym. Stanowi je urządzenie zabezpieczające nadprądowe
zainstalowane na początku obwodu oddzielnie lub jako część składowa rozrusznika:

•

albo bezpieczniki klasy gG lub aM, a w obwodach zasilających

przemienników bez wbudowanych bezpieczników mostka prostowniczego (co
występuje coraz powszechniej) –bezpieczniki klasy aR lub gR,

•

albo wyłącznik nadprądowy, który – poza nienastawialnym lub nastawialnym

wyzwalaczem albo przekaźnikiem zwarciowym – ma nastawialny wyzwalacz albo
przekaźnik przeciążeniowy.

Zabezpieczenie zwarciowe jest na ogół oddzielne dla każdego silnika, ale wolno

wspólnie zabezpieczyć grupę silników powiązanych funkcjonalnie, jeżeli w razie
zwarcia w przewodach dochodzących do jednego silnika mogą lub powinny być
wyłączone również pozostałe. Na przykład przekształtnik zasilający grupę silników
może mieć jedno zabezpieczenie zwarciowe na początku swojego obwodu
zasilającego.

Urządzenia wykrywające przepływ prądu zwarciowego i przerywające obwód

powinny być umieszczone w każdym nieuziemionym przewodzie obwodu.
Zabezpieczenie zwarciowe powinno mieć zdolność wyłączania odpowiadającą
największemu spodziewanemu prądowi zwarciowemu (zwarcia trójfazowego) na
początku obwodu, tzn. na zaciskach wejściowych tegoż zabezpieczenia.

Powinno też wykazywać należytą czułość, tzn. wykrywać i wyłączać w

wymaganym czasie najmniejsze spodziewane prądy zwarciowe (zwarć dwu- i
jednofazowych¹) na końcu obwodu, na zaciskach silnika. Jest to zawsze istotne ze
względu na ograniczenie cieplnych narażeń elementów instalacji przez prąd
zwarciowy. Jest to szczególnie ważne, jeżeli zabezpieczenia zwarciowe mają
dokonywać samoczynnego wyłączenia zasilania (przy zwarciach jednofazowych L-PE)
dla celów ochrony przeciwporażeniowej.

Zwarcia wewnętrzne (międzyzwojowe, międzyuzwojeniowe, międzyfazowe

oraz doziemne) zagrażają uszkodzeniem, a nawet zniszczeniem silnika i mogą zagrażać
porażeniem, ale nie wymaga się, aby je wykrywały i w porę wyłączały zabezpieczenia

-73-

zwarciowe wszelkich silników niskonapięciowych, bo to jest nieosiągalne. W
przypadku silników zasilanych z przekształtników większej mocy detekcja wielu
takich uszkodzeń jest możliwa i jest wykorzystywana, polega na detekcji prądu
różnicowego i/lub niesymetrii prądowej i/lub nadmiernej temperatury uzwojeń.

Zabezpieczenie zwarciowe powinno mieć prąd znamionowy I

(wkładka

bezpiecznikowa) bądź prąd nastawczy I

albo prąd zadziałania 1,2·I

(wyzwalacz

zwarciowy wyłącznika ²) jak najmniejszy, bo to zapewnia większa czułość. Zarazem
wspomniany prąd powinien być wystarczająco duży, aby wyeliminować zbędne
zadziałania zabezpieczenia zwarciowego w następstwie przepływu największych
prądów roboczych, które występują w stanach przejściowych polegających na
załączaniu i przełączaniu: przy rozruch i samorozruchu, przy impulsowaniu oraz przy
hamowaniu i nawrocie. Dla klasycznych układów rozruchu silników indukcyjnych
(rozrusznik:

bezpośredni,

autotransformatorowy,

gwiazda-trójkąt,

wirnikowy

rezystorowy) są dostępne w poradniach i w instrukcjach firmowych proste reguły
doboru i nastawiania zabezpieczeń. W dowolnej sytuacji obowiązują jednak te same
zasady ogólne, które można zastosować, jeśli zna się przebieg prądu w najbardziej
niekorzystnym stanie nieustalonym. Przy zasilaniu poprzez przekształtnik można
ograniczać wartość prądu we wszelkich stanach przejściowych (tzw. ramp prądowy)
do poziomu prądu znamionowego silnika albo niewielkiej jego krotności, co ułatwia
dobór zabezpieczeń zwarciowych, zwłaszcza wyłączników.

W przypadku wyłącznika wartość szczytowa prądu niezadziałania

wyzwalacza bądź przekaźnika zwarciowego

⋅

powinna być większa niż

największa

chwilowa

wartość

max

prądu

występującego

wszelkich

przewidywanych stanach przejściowych. Warunek ten powinien być spełniony z
pewnym zapasem, wyrażony przez współczynnik bezpieczeństwa k

≥ 1,25:

⋅

≥

max

[ 5.1 ]

Zatem prąd nastawczy członu zabezpieczeniowego zwarciowego wyłącznika

powinien spełniać warunek:

max

⋅

≈

⋅

≥

[ 5.2 ]

W obwodzie o prądzie odkształconym, z krzywą prądu wypukłą (współczynnik

szczytu

), wymaga to zwiększenia (w stosunku

) prądu nastawczego

wyzwalacza zwarciowego ponad wartość wystarczającą w przypadku przebiegu
sinusoidalnego o tej samej wartości skutecznej, rys. 5.1. Jeżeli częstotliwość prądu
przekracza 250Hz, to nawet przy przebiegu sinusoidalnym o pomijalnym odkształceniu
nie można pomijać wpływu zwiększonej częstotliwości na prąd niezadziałania i prąd
zadziałania wyzwalacza elektromagnesowego.

-74-

W razie znacznego odkształcenia prądu, ze względu na dodatkowe straty mocy,

korekty mogą wymagać również prąd nastawczy wyzwalaczy lub przekaźników
przeciążeniowych oraz prąd znamionowy ciągły wyłącznika.

¹ Wyłączanie zwarć jednofazowych przez zabezpieczenia zwarciowe nie jest

wymagane przy zasilaniu z układu IT

² Rzeczywisty prąd zadziałania członu zabezpieczeniowego zwarciowego

wyłącznika wynosi I

±20%, tzn. od 0.8· I

do 1,2· I

(PN-EN 60947-2:2001).

W przypadku bezpiecznika obowiązuje cieplne kryterium niezadziałania i

zadziałania: para wartości czas-prąd (t-I), a przy krótkich czasach (t<<0,1s) – po prostu
skutek cieplny prądu (I²t), nazwany też całką Joule’a.

Rys.5.1. Okre

lanie charakterystycznych parametrów przebiegu odkształconego dla doboru

zabezpiecze

zwarciowych: szczytowa warto

ść

du i

max

oraz pr

d zast

pczy cieplny

w przedziale czasu

(0…

)

Wkładce bezpiecznikowej można przypisać pewną obciążalność krótkotrwałą

wynikającą z charakterystyki przeciążeniowej leżącej na lewo od charakterystyki
czasowo-prądowej t-I czasów przedłukowych rys. 5.2, w takim oddaleniu, by nie
dochodziło nie tylko do zadziałania wkładki, ale nawet do zmiany struktury materiału
topika pod wpływem powtarzających się krótkotrwałych obciążeń. Takie
„zapamiętywanie

przeciążeń:

przyśpieszałoby

starzenie

topika

sprzyjało

nieoczekiwanemu, zbędnemu zadziałaniu, bo charakterystyka czasowo-prądowa
wkładki stopniowo przesuwałaby się w lewo.

Wkładce można przypisać różne charakterystyki przeciążeniowe, z tym

większym marginesem bezpieczeństwa w stosunku do charakterystyki t-I
przedłukowej, im większy jest prąd znamionowy wkładki, im większa jest częstość
występowania rozpatrywanych krótkotrwałych obciążeń i im większą ich liczbę n
wkładka powinna przetrzymać do chwili zbędnego zadziałania wskutek zmian
starzeniowych.

-75-

Rys.5.2. Usytuowanie

liniowej

charakterystyki

przeci

ąż

eniowej

(krzywa2)

wzgl

dem

charakterystyki czasowo pr

dowej (pasmo1) wkładki bezpiecznikowej o pr

dzie

znamionowym I

i pr

dzie granicznym dolnym I

0,70

I p

0,50

Rys.5.3. Usytuowanie

liniowej

charakterystyki

przeci

ąż

eniowej

(krzywa2)

wzgl

dem

charakterystyki czasowo pr

dowej (pasmo1) wkładki bezpiecznikowej o pr

dzie

znamionowym I

i pr

dzie granicznym dolnym I

Charakterystyka przeciążeniowa powstaje w ten sposób rys. 5.3, że danej

rzędnej t odpowiadającej czasowi trwania obciążenia krótkotrwałego t

przypisuje się

odciętą I= K

•

, przy czym I

jest prądem przedłukowym, a wartość współczynnika

odporności na wielokrotne przeciążenia K dobiera się, rys. 5.4 zależnie od liczby cykli
przeciążeniowych n, którą wkładka powinna przetrzymać; zwykle K

∈

(0,50 - 0,70).

-76-

K²

0,1

0,2

0,4

0,5

1,0

Rys.5.4. Rys.4 Współczynnik odporno

ci na wielokrotne przeci

ąż

enia impulsowe K ( do

sporz

dzenia charakterystyki przeci

ąż

eniowej t – I ) oraz warto

ci K

( do

wyznaczenia wielokrotnie wytrzymywanej całki Joule

a) w zale

ci od liczby

przetrzymywanych cykli przeci

ąż

eniowych n. Podane warto

ci dotycz

przeci

ąż

impulsowych o czasie trwania poni

ej 1s (ang. impulse loads), a w przypadku dłu

trwaj

cych przeci

ąż

odczytane z wykresu warto

ci K mo

na zwi

kszy

o 15 - 20%.

Jeżeli w rozpatrywanym czasie t

trwania krótkotrwałego stanu przejściowego

ze zwiększonym prądem roboczym bieżąca wartość skuteczna tego prądu zmienia się,
to z dopuszczalną wartością K

•

należy porównywać prąd zastępczy cieplny I

czasie 0...t

. Umyślony prąd o niezmiennej w czasie wartości I

jest równoważny

prądowi rzeczywiście płynącemu o znanym przebiegu i(t). Oblicza się go następująco:

)

(

∫

[ 5.1 ]

Dla przebiegu prądu odkształconego na rys.1 linią przerywaną wrysowano

zależność prądu zastępczego cieplnego I

(t). Każdy punkt tego wykresu wyznacza

pary współrzędnych t-I

, które powinny być usytuowane na lewo od charakterystyki

przeciążeniowej dobranej wkładki bezpiecznikowej.

Przy rozważaniu odporności wkładek bezpiecznikowych na krótkotrwałe (

<<0,1 s, nawet t

<0,01s) impulsy prądu załączeniowego samych przekształtników,

kierować się trzeba wartością całki Joule

a przedłukowej I

tp wkładek. Całka Joule

impulsu prądu załączeniowego nie powinna przekraczać wartości K

•

Przy zasilaniu z przekształtników prądy rozruchowe silników są nieduże, ale

czas ich przepływu wydłuża się na tyle w porównaniu z rozruchem bezpośrednim DOL
(ang. direct on line), że skutek prądu rozruchowego I

t jest na ogół znacznie (nawet 10

- 20% krotnie) większy, co nie jest bez znaczenia przy doborze prądu znamionowego
bezpieczników.

Jeżeli prąd roboczy jest silnie odkształcony, to w wieloczłonowych topikach

wkładek o dużym prądzie znamionowym rozpływ prądu między równolegle

-77-

połączonymi członami staje się nierównomierny ze względu na różne indukcyjności
dróg równoległych. Ponadto, nawet w pojedynczych cienkich topikach taśmowych
występuje nierównomierna gęstość prądu i to (przy f<5kHz) wzdłuż szerokości taśmy,
a nie wzdłuż jej grubości. W rezultacie zachodzą dodatkowe straty mocy [4,14,15],
zwiększa się zastępcza rezystancja topika i wkładce trzeba przypisać zmniejszony prąd
znamionowy ciągły. Takie efekty występują, jeżeli wartość ok. 250 Hz przekracza
bądz harmoniczna podstawowa prądu roboczego silnika, bądź harmoniczne o
znaczącym udziale w widmie prądu roboczego.

5.1.2. Z

ABEZPIECZENIE PRZED PRZECIĄśENIEM

Przeciążenie silnika objawia się przepływem w określonym czasie prądu

większego niż prąd największy dopuszczalny w danych warunkach użytkowania.
Istotna jest zatem para wartości: prąd pobierany I oraz czas jego przepływu t. Pamiętać
trzeba, że jeżeli warunki środowiskowe, obniżona prędkość obrotowa bądź inne
okoliczności pogarszają warunki chłodzenia silnika, to podstawą rozważań powinien
być zredukowany (ang.derated) prąd znamionowy silnika, jaki można wtedy dopuścić
przy pracy ciągłej.

Rys.5.5. Przykład instalacji zasilanej z przekształtnika ze wspólnym zabezpieczeniem

zwarciowym oraz indywidualnymi zabezpieczeniami przeci

ąż

eniowymi nadpr

dowymi

silników.

W zasadzie silnik elektryczny o mocy większej niż 0,5 kW powinien mieć

zabezpieczenia przeciążeniowe i powinno to być zabezpieczenie oddzielne dla każdego
silnika, rys. 5.5. Od zasady tej wolno odstąpić w następujących przypadkach:

-78-

•

silniki o prądzie znamionowym mniejszym niż 4 A, jeżeli brak zabezpieczenia
nie zagraża uszkodzeniu mechanizmu napędzanego lub innymi poważnymi
konsekwencjami,

•

silniki do pracy ciągłej o mocy znamionowej nie przekraczającej 10 kW, jeżeli
przeciążenie silnika jest mało prawdopodobne (np. napęd odśrodkowych pomp
lub wentylatorów),

•

silniki, których nie można przeciążyć (np. silniki momentowe, zespoły
napędowe

chronione

mechanicznymi

urządzeniami

przeciw

przeciążeniowymi),

•

silniki do pracy przerywanej, jeżeli ich zabezpieczenie nadprądowe byłoby
nieskuteczne, a zastosowanie czujników temperatury nie jest ekonomicznie
uzasadnione.

Silniki stanowiące zespół z indywidualnym zasilaczem (transformatorem,

przekształtnikiem

energoelektronicznym),

wyposażonym

zabezpieczenie

przeciążeniowe obwodu wyjściowego, nie wymagają osobnego zabezpieczenia
przeciążeniowego.

Wypada tu podkreślić, że są obwody elektryczne, również obwody silników

elektrycznych, w których zabezpieczeń przeciążeniowych działających na wyłączenie,
stosować nie wolno. Chodzi o napędy ważne dla bezpieczeństwa ludzi i mienia, które
w krytycznej sytuacji powinny działać mimo przeciążenia i mimo ryzyka ich
uszkodzenia, a nawet ryzyka zniszczenia, np. pompa pożarnicza, maszyna sterowa
statku, ster strumieniowy. W takich przypadkach przeciążenie powinno być tylko
sygnalizowane operatorowi.

Wielkością kryterialną, kontrolowaną przez zabezpieczenie przeciążeniowe, jest

zwykle bo to najłatwiej wykonać - prąd pobierany z sieci (prąd stojana) i/lub
temperatura uzwojeń stojana. Ściśle biorąc tak działające zabezpieczenie jest skuteczne
tylko w odniesieniu do silników o krytycznym stojanie, tzn. silników, w których z
powodu przeciążenia uzwojenie stojana szybciej niż uzwojenie wirnika (izolowane lub
klatkowe) osiąga i przekracza dopuszczalną temperaturę; tak się zachowuje niemal
wszystkie niskonapięciowe silniki indukcyjne o mocy do ok. 150 kW. Skuteczne
zabezpieczenie przeciążeniowe silników o krytycznym wirniku wymaga bardziej
złożonych rozwiązań zabezpieczeń.

-79-

Tab.5.3. Wymagania co do przebiegu charakterystyki t-I nap

dowych przeka

ników

przeci

ąż

eniowych

Czas wyzwalania T

przy krotności prądu nastawczego

Klasa

wyzwalania

1,05

1,2

1,5

7,2

≤

min*)

1 < T

≤

5 s *)

10A

≤

min

2 < T

≤

10 s

≤

min

4 < T

≤

10 s

≤

min *)

≤

15 s *)

≤

min

6 < T

≤

20 s

≤

min *)

7,5

≤

25 s *)

≤

min

9 < T

≤

30 s

≤

min *)

≤

35 s *)

≥

2 h

< 2 h

≤

min *)

≤

40 s *)

Temperatura otoczenia + 40ºC, przekaźnik obciążony we wszystkich

biegunach, wstępnie nienagrzany w próbach prądem o krotności 1,05 i 7,2, a wstępnie
nagrzany w próbach prądem 1,2 i 1,5.

*) Wartości dotychczas nie znormalizowane, stosowane przez producentów

przekaźników.

Przeciążeniowe przekaźniki i wyzwalacze nadprądowe kontrolujące wartość

prądu pobieranego przez silnik i czas jego przepływu mają tę wadę, że nie reagują w
razie nadmiernego nagrzewania silnika z powodu podwyższonej temperatury otoczenia
lub utrudnienia wentylacji. Nie nadają się do silników o przewietrzaniu własnym
pracujących przy obniżonej prędkości obrotowej, które mogą wymagać wtedy
obniżenia mocy i pobieranego prądu ze względu na mniejszą wydajność wentylatora.
Stosuje się przekaźniki o różnej zasadzie działania: termobimetalowe, hydrauliczno-
magnetyczne i elektroniczne (mikroprocesorowe), ale identyczne są wymagania co do
przebiegu ich charakterystyki czasowo-prądowej (tabl. 5.1, rys. 5.6).

Od przekaźnika przeciążeniowego w obwodzie silnika indukcyjnego wymaga

się, aby bez zbędnego wyzwalania przetrzymywał rozruchy bezpośrednie (DOL).
Warunek ten jest spełniony, jeżeli klasa wyzwalania przekaźnika (ang. tripping class,
TC) jest odpowiednio większa niż wyrażony w sekundach czas rozruchu

-80-

bezpośredniego (przy krotności prądu rozruchowego 7,2), co ilustrują tabl. 1 oraz rys.
6. Na przykład, jeżeli czas rozruchu bezpośredniego wynosi 3 s, to potrzebny jest
przekaźnik o klasie wyzwalania co najmniej 10, który prąd rozruchowy o wspomnianej
krotności przetrzymuje co najmniej 4 s. Tylko przekaźniki mikroprocesorowe
obejmują pełną gamę dostępnych klas wyzwalania (TC 5÷40).

Z przebiegu charakterystyki t-I wynika, że przekaźnik powinien być nastawiony

na największy prąd dopuszczalny przy pracy ciągłej silnika FLC (ang. full load
current): I

nast

= FLC, bo wtedy zabezpieczenie będzie najbardziej skuteczne. W razie

konieczności, dla uniknięcia zbędnych zadziałań przy rozruchach bezpośrednich
silnika lub w innych stanach przejściowych, wolno przekaźnik nastawić na prąd
większy, ale nieprzekraczający wartości I

nast

= 1,1·FCL. Z katalogu należy zatem

wybierać przekaźnik, którego zakres nastawczy (I

nast min

÷I

nast max

) obejmuje prądy

(1,0÷1,1)·FCL. Z powyższego wynika również, że do zabezpieczania silników nadają
się tylko przekaźniki bądź wyzwalacze przeciążeniowe nastawialne, tzn.
umożliwiające nastawianie na prąd właściwy dla zabezpieczanego silnika, np.
wyłączniki silnikowe. Nie nadają się natomiast wyłączniki nadprądowe instalacyjne o
nienastawialnych wyzwalaczach przeciążeniowych.

Krotno

ść

du znamionowego

Rys.5.6. Charakterystyki

czasowo-pr

dowe

przeka

ników

przeci

ąż

eniowych

klasie

wyzwalania od 5 do 40 (obci

ąż

enie we wszystkich biegunach, ze stanu

nienagrzanego).

Wbudowane w silniku czujniki temperatury śledzące temperaturę

najgorętszych miejsc chronią silnik przed przekroczeniem dopuszczalnej temperatury
niezależnie od powodu przeciążenia, również w sytuacjach, na które nie reagują
przekaźniki nadprądowe. W roli czujników stosuje się miniaturowe pozystory, czyli

-81-

półprzewodnikowe termistory PTC (ang. positive temperature coefficient) o dodatnim
temperaturowym współczynniku rezystancji. Wykazują one skokową zmianę
rezystancji w temperaturze zbliżonej do znamionowej temperatury zadziałania TNF
(rys. 5.7), co odpowiada efektowi przekaźnikowemu (otwarciu zestyku). Odpowiednie
domieszkowanie podstawowego składnika, którym jest zwykle tytanian baru BaTiO

pozwala uzyskać pozystor o określonej znamionowej temperaturze zadziałania
odpowiadającej klasie ciepłoodporności izolacji silnika.

Rys.5.7. Zale

ść

rezystancji R

trzech szeregowo poł

czonych pozystorów od temperatury

Znaczniki przedstawiaj

wymagania normy mi

dzynarodowej IEC 60034-11.

W silniku trójfazowym umieszcza się co najmniej trzy pozystory (rys. 5.8), po

jednym przy każdym z uzwojeń fazowych. Dzięki temu działają one skutecznie
również przy pracy niepełnofazowej silnika. Czujników jest co najmniej sześć, jeżeli
mają działać dwustopniowo – na sygnał i na wyłączenie. Przekaźnik pośredniczący
przyjmujący sygnały z czujników musi mieć wtedy odpowiednią liczbę wejść.

-82-

Typ MINIKA K

Typ MINIKA KD

180

0,14

Rys.5.8. Przykładowe wymiary czujników pozystorowych firmy ZIEHL: u góry – pojedynczy

czujnik, u dołu – zespół trzech czujników.

Jest to zabezpieczenie na prąd ciągły, samotestujący się; przerwanie obwodu

czujników nie pozostaje niezauważone, objawia się sygnałem i/lub wyłączeniem,
podobnie jak przeciążenie silnika. Niektóre przekaźniki odróżniają te zdarzenie i
sygnalizują przerwanie obwodu, jeżeli wzrost rezystancji nastąpił z dużą pochodną
dR/dt. Nowsze wykonania mają też układ detekcji zwarcia w obwodzie pomiarowym,
w następstwie którego zostaje wyłączony z obwodu co najmniej jeden z czujników.
Ś

wiadczy o tym obniżenie rezystancji obwodu czujników, zwłaszcza zimnych

czujników, poniżej określonej wartości (np. 20 Ω na jeden czujnik). W zwykłej
temperaturze otoczenia rezystancji pojedynczego pozystora powinna być mniejsza niż
250 Ω (zwykle wynosi 100÷200 Ω, ale może być mniejsza niż 100 Ω). Te dodatkowe
zabezpieczenia na wypadek zawodności czujników są potrzebne przy napędach, od
których wymaga się najwyższej dyspozycyjności. Stosowanym obecnie półśrodkiem,
zapobiegającym zbędnym wyłączeniom silnika, jest osobne wyprowadzenie
przewodów od każdego czujnika i takie programowanie układu, aby wyłączenie
następowało w razie przekroczenia określonej wartości rezystancji co najmniej dwóch
obwodów czujników.

-83-

40 mm

Rys.5.9. Sposób umieszczania czujnika w poł

czeniu czołowym uzwojenia: a)rozchylenie

przewodów; b) wprowadzenie czujnika z odcinkiem przewodów przył

czeniowych; c)

banda

owanie zezwoju.

Wplata się odcinek ok. 40mm przewodów zakończonych czujnikiem (rys. 5.9)

w części uzwojenia najsilniej nagrzewającej się (ang. hot-spot, hottest-spot) i w sposób
gwarantujący jak najmniejszą rezystancję cieplną między czujnikiem a uzwojeniem
(jak najmniejszy skok temperatury między nimi). Miejsce to znajduje się w
połączeniach czołowych po stronie bez wentylatora (w silnikach budowy zamkniętej
chłodzonych poprzez powierzchnię obudowy, tzn. IC 411, IC 416, jak na rys. 5.10a)
albo pośrodku części żłobkowej zezwojów (w silnikach budowy otwartej o wnętrzu
przewietrzanym swobodnym obiegiem powietrza, tzn. IC 01, IC 06, jak na rys. 5.10b).
Decyduje o tym wytwórnia, która na żądanie dostarcza silniki z pozystorami
wmontowanymi w sposób zapewniający jak najmniejszy błąd pomiaru temperatury
uzwojenia i nie narażający ani ich przewodów na naprężenia mechaniczne.

Rys.5.10. Pogl

dowe przedstawianie kierunku przepływu ciepła strat (W) i powietrza

chłodz

cego (K) oraz poło

enie najgor

tszego miejsca uzwojenia (H) w silniku: a)

budowy zamkni

tej; b) budowy otwartej.

Jednym parametrem decydującym o doborze czujników jest klasa

ciepłoodporności izolacji silnika. Do temperatury granicznej dopuszczalnej
długotrwale dla izolacji dobiera się znamionową temperaturę zadziałania TNF
czujników, którą rozpoznaje się po barwie izolacji dwóch przewodów
przyłączeniowych każdego czujnika.

Sprawą dyskusyjną jest relacja między temperaturą graniczną dopuszczalną

długotrwale dla izolacji τ

a znamionową temperaturą zadziałania TNF czujników. Na

pozór obie wartości powinny być jednakowe i tak byłoby, gdyby nie to, że:

•

czujniki rzadko daje się umieścić naprawdę w najgorętszym miejscu silnika, w
najlepszym razie są one w miejscu, które w stanie cieplnym ustalonym ma
temperaturę o 10÷15 K niższą niż hottest-spot,

-84-

•

występuje dynamiczny błąd pomiaru temperatury uzwojenia (różnica między
temperaturą uzwojenia a temperaturą czujnika) tym większa, im większy jest
prąd przeciążeniowy.

Temperaturę zadziałania czujników dobiera się raczej niższą niż temperatura

dopuszczalna długotrwale dla izolacji zwłaszcza, jeśli chodzi o pierwszy stopień
zabezpieczeń dwustopniowych, tylko sygnalizujący przeciążenie. Wartości przeciętne
przestrzegane przez wytwórców silników, w zależności od klasy izolacji i sposobu
chłodzenia silnika, są przedstawione w tabl. 5.2.

Tab.5.3. Dobór znamionowej temperatury zadziałania TNF czujników pozystorowych

w zale

ci od sposobu chłodzenia silnika i klasy izolacji

TNF [°C] dla silników o

klasie izolacji

Sposób chłodzenia silmika

B
τ

= 130°C

F
τ

= 130 °C

H
τ

= 130°C

Sygnalizacja

120

140

160

IC 4X
poprzez

powierzchnię obudowy

Wyłączanie

140

160

180

Sygnalizacja

110

130

150

IC 0X
przez

przewietrzanie swobodne

Wyłączanie

130

150

170

Największą wadą czujników jest niebezpiecznie duży dynamiczny błąd pomiaru

temperatury w razie próby rozruchu bezpośredniego DOL silnika o unieruchomionym
wirniku. W przypadku rozruchu sterowanego przez przekształtnik taki stan pracy nie
może wystąpić.

Przekaźniki nadprądowe mikroprocesorowe do zabezpieczania

silników występują jako osobne aparaty bądź jako wbudowane wyposażenie
przekształtników przeznaczonych do współpracy z pojedynczym silnikiem. Sygnałami
wejściowymi są prądy w trzech fazach i Ew. trzy napięcia międzyfazowe. Sygnały
prądowe, pochodzące z konwencjonalnych przekładników prądowych lub – dzięki
małej mocy pobieranej – z cewek Rogowskiego, są przetwarzane na proporcjonalne
sygnały napięciowe. Napięcia te są prostowane, przetwarzane na sygnały cyfrowe i
wprowadzane do mikroprocesora. Mikroprocesor przetwarza w czasie rzeczywistym
informacje wejściowe o wartościach wszelkich wielkości kryterialnych i sprawdza czy
nie

są

przekroczone

warunki

progowe

uzasadniające

sygnalizację

stanu

zakłóceniowego zakłóceniowego/lub wyłączenie silnika. Te warunki progowe
użytkownik może zaprogramować z dużą swobodą.

Użytkownik może przede wszystkim wybrać i nastawić dowolną klasę

wyzwalania TC (co % s, a nawet co 2 s), czyli dopasować przebieg charakterystyki t-I
przekaźnika (rys. 5.6) do warunków rozruchu silnika. Zarazem przekaźnik może mieć
człon

przeciążeniowy,

kontrolujący

skutek

cieplny

prądu

rozruchowego,

zabezpieczający przed przegrzaniem silnika w razie nadmiernie przedłużającego się

-85-

rozruchu (ponad dopuszczalny czas rozruchu t

). Człon przeciążeniowy

zabezpieczający przed przeciążeniem podczas pracy silnika może zawierać w różnej
postaci pamięć cieplną skracającą czas wyzwalania, jeśli przed wystąpieniem
aktualnego przeciążenia silnik był dłuższy czas w pełni obciążony albo, jeśli nie zdążył
wystarczająco ostygnąć po poprzednim przeciążeniu. Na przykład włączenie pamięci
cieplnej, skracającej czas wyzwalania, następuje, kiedy prąd w obwodzie przekracza
wartość 0,95 I

nast

, a jej samoczynne skasowanie następuje, jeżeli płynący prąd będzie

miał wartość mniejszą niż 0,85 I

nast

przez czas co najmniej 216 t

Przekaźnik mikroprocesorowy może obejmować człon temperaturowy

pobierający sygnał z wbudowanych w silniku czujników temperatury. Staje się wtedy
zespolonym przekaźnikiem nadprądowo-temperaturowym, który łączy zalety obu
rozwiązań i kompensuje ich wady stanowiąc najdoskonalsze zabezpieczenie
przeciążeniowe silnika.

Obróbka sygnałów prądowych z trzech faz obwodu głównego pozwala

wykrywać nie tylko przeciążenia i zwarcia międzyfazowe. Człon niesymetrii
prądowej wykrywa znaczne różnice wartości prądu w trzech fazach, świadczące o
uszkodzeniu silnika. Człon kontroli pracy niepełnofazowej wykrywa bezzwłocznie
zanik prądu w jednej z faz. Człon niedomiarowo-prądowy interweniuje przy zbyt
małym prądzie obciążenia silnika, co bywa potrzebne ze względu na bezpieczeństwo
procesu technologicznego lub jałowo pracującej maszyny napędzanej. Człon
różnicowoprądowy wykrywa zwarcia doziemne w obwodzie silnika sumując trzy
prądy fazowe albo pobierając sygnał z osobnego przekładnika Ferrantiego.

Przekaźnik mikroprocesorowy pobierający sygnały napięciowe z trzech faz

pozwala wprowadzić kolejne człony zabezpieczające: człon podnapięciowy (np. U <
0.8·U

) człon zanikowy (U < 0.2·U

w czasie przekraczającym 0,2 s), człon kontroli

niewłaściwej kolejności faz, człon niesymetrii napięciowej.

Możliwe

funkcje

zabezpieczeniowe,

jakie

oferują

przekaźniki

mikroprocesorowe SA nieporównywalnie szersze niż możliwości tradycyjnych
przekaźników cieplnych bądź elektromagnetycznych. Te funkcje użytkownik może
łatwo programować, dobierać właściwe charakterystyki, a w razie potrzeby zmieniać
je. Nastawy są jednoznaczne, łatwe do kontrolowania, i nie podlegają procesom
starzeniowym. Systemy autotestu w sposób ciągły sprawdzają stan poszczególnych
członów zabezpieczeniowych sygnalizują ewentualne usterki, co znakomicie zwiększa
niezawodność zabezpieczenia. Charakterystyki przekaźników są niewrażliwe na
zmiany temperatury otoczenia w zakresie co najmniej od -20°C do +45°C.

Na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym można odczytać bieżącą wartość

pobieranego prądu i aktualny stan cieplny silnika. Można też sprawdzać zapisy
rejestratora zdarzeń Nowsze przekaźniki są wyposażone w łącze komunikacyjne RS-
232 lub RS-485 wiążące je ze sterownikami przemysłowymi.

-86-

5.1.3. Z

ABEZPIECZENIE

PODNAPIĘCIOWE

(

ZABEZPIECZENIE

PRZED

GŁĘBOKIM ZAPADEM NAPIĘCIA LUB ZANIKIEM NAPIĘCIA I JEGO

POWROTEM

)

Gdyby obwody silnikowe nie miały zabezpieczeń podnapięciowych, to po

zaniku napięcia pozostawałby nadal przyłączone do instalacji, do czasu zamierzonego
wyłączenia ich przez obsługę. Powrót napięcia po krótszym czasie niż czas wybiegu
silników powodowałby ich samorozruch, na ogół pożądany, ale związany z poborem
zwiększonego prądu, co może być niedopuszczalne, gdyby miało dotyczyć większej
liczby silników dużej mocy. Powrót napięcia po czasie dłuższym niż czas wybiegu
silników, powodowałby ich samoczynny ponowny rozruch. Po bliżej nieokreślonym
czasie, od chwili zaniku napięcia, następowałoby samoczynne uruchomienie
nieczynnych silników, co na ogół jest niedopuszczalne ze względu na bezpieczeństwo
ludzi, wielu napędów i procesów technologicznych. Zabezpieczają temu
zabezpieczenia podnapięciowe.

Rys.5.11. U

redniona charakterystyka odporno

ci napi

ciowej (dolna granica) układów

nap

dowych o regulowanej pr

dko

ci obrotowej [5]

Są układy napędowe, których utrzymanie w ruchu ma pierwszorzędne

znaczenie i które powinny odbywać samorozruch bądź samoczynny ponowny rozruch,
jeżeli czas przerwy w zasilaniu bądź czas trwania zapadu napięcia [5, 7] nie przekracza
określonej wartości (rys. 5.11). W klasycznych układach zasilania silników
umożliwiają to styczniki o zwłocznym odpadaniu albo podobnie działające
wyzwalacze podnapięciowe wyłączników, a w przypadku silników zasilanych z
przekształtników – odpowiednie oprogramowanie z wykorzystaniem funkcji
nazywanej żargonowo czasem restartu. Jeżeli zdarzy się krótka przerwa w zasilaniu, to
po powrocie napięcia, bez udziału obsługi, nastąpi samorozruch bądź samoczynny
ponowny rozruch silnika.

-87-

5.1.4. Z

ABEZPIECZENIE PRZED NIESYMETRIĄ NAPIĘCIOWĄ I PRĄDOWA

Niesymetria napięcia układu wielofazowego jest stanem, w którym nie

są jednakowe wartości skuteczne poszczególnych napiec fazowych i/lub ich
przesunięcia fazowe. Jeżeli taki stan pracy analizuje się przy użyciu metody
składowych symetrycznych, objawia się on wystąpieniem składowej przeciwnej
napięcia i prądu. Impedancja wirującego trójfazowego silnika indukcyjnego dla
składowej przeciwnej jest kilka do kilkunastu razy mniejsza niż dla składowej zgodnej,
wobec czego już niewielka zawartość składowej przeciwnej w napięciu wywołuje
znaczną składową przeciwną w prądzie stojana, która w dodatku indukuje w wirniku
znaczne prądy o częstotliwości w przybliżeniu podwójnej. W rezultacie niesymetria
prądu pobieranego przez silnik jest większa niż niesymetria napięcia zasilającego i
objawia się wzmożonym nagrzewaniem.

Człon zabezpieczeniowy o charakterystyce zależnej kontroluje składową

przeciwna prądu pobieranego przez silnik. Prąd rozruchowy takiego zabezpieczenia
powinien być jak najmniejszy., (0,15÷0,30)·I

, ale wystarczająco duży, aby zapobiec

zbędnym zadziałaniom z powodu konstrukcyjnej niesymetrii elektromagnetycznej
silnika, powodującej niesymetrię prądową nawet (0.05÷0.15)·I

w przypadku

silników o rozruchu bezpośrednim trzeba odstroić się ponadto niesymetrii prądowej
podczas rozruchu wskutek występowania zanikającej składowej nieokresowej prądu, o
różnej wartości w poszczególnych fazach.

Skrajnym przypadkiem niesymetrii jest przerwanie jednego z torów

prądowych i niepełnofazowa praca silników. Zabezpieczenia regulujące na niesymetrię
prądów są w takiej sytuacji bardziej skuteczne niż zabezpieczenia przeciążeniowe.

5.1.5. Z

ABEZPIECZENIE PRZED NIEWŁAŚCIWĄ KOLEJNOŚCIĄ FAZ

Zabezpieczenie zapobiega uruchomieniu silnika trójfazowego przy

przeciwnym do zamierzonego kierunkiem obrotów, jeśli może to spowodować
sytuację zagrożenia lub uszkodzenie napędzanej maszyny. Zabezpieczenie jest
potrzebne zwłaszcza przy urządzeniach ruchomych zasilanych za pośrednictwem
przewodów ruchomych i łączników wtyczkowych. Jest też wskazane przy silnikach
zainstalowanych na stałe, jeśli zachodzi możliwość przełączania źródła zasilania.
Przekształtniki mają z reguły wbudowana tę funkcję zabezpieczeniową.

5.1.6. Z

ABEZPIECZENIE NADPRĄDOWE NIEDOMIAROWE

Zabezpieczenie ( o charakterystyce niezależnej zależnej od czasu) jest

pobudzane, jeśli prąd obciążenia silnika zmniejszy się poniżej nastawionej wartości, co
nie zagraża silnikowi, lecz może świadczyć o uszkodzeniu napędu (zerwanie sprzęgła
lub przekładni) albo groźnym zakłóceniu procesu technologicznego. Przekształtniki
mają z reguły wbudowana tę funkcję zabezpieczeniową.

-88-

5.1.7. I

NNE ZABEZPIECZENIA

Przy pośrednim zasilaniu silników z sieci inne zabezpieczenia stosuje się

tylko w razie szczególnej potrzeby, bo wymagają instalowania dodatkowych aparatów.
Przy zasilaniu z przekształtnika, którego układ sterowania otrzymuje sygnały
analogowe o wszelkich wartościach elektrycznych (prąd w każdej fazie, wszystkie
napięcia międzyprzewodowe) i nieelektrycznych (temperatura uzwojeń silnika,
prędkość kątowa bądź obrotowa i ew. moment obrotowy), przetworzone następnie na
sygnały cyfrowe, które mogą być dowolnie przetwarzane, wchodzi w rachubę
programowanie

różnych

dodatkowych

funkcji

zabezpieczeniowych,

charakterystykach dość swobodnie kształtowanych.

5.2. WARUNKI

PRACY

SILNIKÓW

ZASILANYCH

Z POŚREDNICH PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI.

Niskonapięciowe pośrednie przemienniki częstotliwości należą obecnie

do najbardziej rozpowszechnionych przekształtników do zastosowań nie tylko
przemysłowych. Służą do zasilania odbiorników napięciem przemiennym o
regulowanej amplitudzie i częstotliwości, z dokładnością (ang. frequency resolution)
ok. 0,01 Hz, zwłaszcza do regulacji prędkości obrotowej silników. Jeśli regulacja
odbywa się tylko w dół, z obniżaniem częstotliwości poniżej częstotliwości sieci, to
mogą być używane, zwłaszcza przy mniejszych mocach układów napędowych, silniki
standardowe ze stosowną korektą danych znamionowych (tabl. 5.3).

Tab.5.3. Porównanie danych znamionowych tego samego silnika (SCHORCH KDI

315M-BA41N-Z) przy zasilaniu sieciowym i zasilaniu z przemiennika
cz

stotliwo

Mains-

operated

Converter-

operated

Napięcie zasilające

400 V

40÷400 V

Częstotliwość napięcia zasilającego

silnik

50 Hz

5÷50 Hz

Moc silnika osiągalna

132 kW

10÷110 kW

Prąd dop. Długotrwale (ang. full

load current)

240 A

205 A

Prędkość obrotowa

1485 min

-1

150÷1500

min

-1

Moment napędowy osiągalny

850 Nm

635÷700 Nm

Poprawne dobranie i skoordynowanie wszelkich środków ochronnych

(od porażeń, od przepięć. Od zakłóceń elektromagnetycznych) i zabezpieczających
(przed przeciążeniami, skutkami zwarć itd.) przekształtnika oraz silnika to wiedza
podobna do biegłości kulinarnej: znane są receptury, przepisy i zasady, ale tak
naprawdę rezultat zależy od wprawy projektanta i instalatora, od wyczucia w
dozowaniu składników i przypraw.

-89-

Producent odpowiada za poprawność ochron i zabezpieczeń

wewnętrznych, wbudowanych w przekształtniku [10, 12, 16], oraz za wszelkie
wytyczne instalowania i eksploatacji, również za podawane wskazówki doboru ochron
i zabezpieczeń zewnętrznych. Przekształtnik na ogół ma wbudowane zabezpieczenia
obwodu wyjściowego przynajmniej przed skutkami zwarć międzyfazowych i
doziemnych, ale nie wszyscy wytwórcy podają w DTR szczegóły dotyczące ich
wykonania, nastawiania i sprawdzania, ograniczając się do niewiele mówiącego
wykazu stosowanych zabezpieczeń. Co gorsza, nawet od działających na polskim
rynku firm oświatowej renomie, użytkownik nieraz otrzymuje bełkotliwe tłumaczenie
dokumentacji, urągające elementarnym regułom polszczyzny i zasadom polskiej
terminologii technicznej.

Są dostępne niskonapięciowe (U

≤ 1000 V) przemienniki częstotliwości

o mocy 0,25÷800 kW, przy czym wymagania bezpieczeństwa są ostrzejsze w
odniesieniu do przekształtników małej mocy (umownie P

≤ 4 kW i/lub I

≤ 16 A), bo

mogą one trafić w ręce osób niewykwalifikowanych. Poza innymi postanowieniami
(co do wartości prądów upływowych, prądów załączeniowych) wymaga się, aby te
ostatnie były przystosowane do zasilania przez wyłącznik różnicowoprądowy (o
wyzwalaniu typu B).

Przekształtniki większej mocy są użytkowane przez personel

wykwalifikowany i osoby dozoru odpowiadają za wdrożenie zasad bezpiecznej
eksploatacji dostosowanych do konkretnych warunków użytkowania.

Przy doborze rozwiązań ochron i zabezpieczeń trzeba od początku mieć

na względzie, czy chodzi o przemiennik częstotliwości indywidualny, zasilający
pojedynczy silnik, czy grupowy – zasilający grupę silników.

Podstawowe

bloki

funkcjonalne

nowoczesnego

pośredniego

przemiennika częstotliwości to diodowy (rzadziej tyrystorowy) mostek prostowniczy,
obwód pośredniczący prądu stałego oraz falownik napięcia o zaworach w pełni
sterowalnych, umożliwiających regulację zarówno wartości, jak i częstotliwości
napięcia wyjściowego. Nadają się do tego celu tyrystory GTO (ang. gate turn-off
thyristor) oraz – od wielu lat coraz powszechniej stosowane – bipolarne tranzystory
mocy IGBT o izolowanej bramce (ang. insulated gate bipolar transistor).

Napięcie wyjściowe falownika jest kształtowane z napięcia stałego w

obwodzie pośredniczącym poprzez modulację szerokości impulsów MSI (ang. pulse
width modulation, PWM) z częstotliwością przetwarzania z zakresu 0,5÷16 kHz,
dobierania w zależności od zastosowania. W pierwszym przybliżeniu przyjmuje się, że
bieżąca wartość średnia prądu wyjściowego ma przebieg zbliżony do sinusoidalnego
(rys. 5.12), dzięki dużej indukcyjności obwodu silnikowego, ale w rzeczywistości
przebieg prądu jest odkształcony i to – bez filtru wyjściowego – w stopniu większym
niż sugeruje rys. 5.13.

-90-

Rys.5.12. Przebieg przeł

czanego napi

cia (u) oraz wyidealizowany przebieg pr

du fazowego (i)

na wyj

ciu falownika przy modulacji szeroko

ci impulsów

Oba przedstawione przebiegi, napięcia i prądu, wskazują, że należy się

liczyć z kłopotliwymi problemami w obwodzie wyjściowym przemiennika, zwłaszcza
w odniesieniu do samego silnika. W porównaniu z zasilaniem bezpośrednio z sieci,
podlega on dodatkowym narażeniom, które komplikują należyte rozwiązanie jego
układu zabezpieczeń.

Rys.5.13. Zbli

ony do rzeczywistego przebieg pr

du fazowego (i) na wyj

ciu falownika przy

modulacji szeroko

ci impulsów (pomini

te harmoniczne wy

szych rz

dów

Z powodu odkształcenia prądu występują w silniku straty dodatkowe

(mocy czynnej)w uzwojeniach stojana i wirnika, a także straty dodatkowe w
niektórych częściach magnetowodu (w zębach i przyległych częściach) wywołane
wyższymi harmonicznymi strumieni rozproszenia [1, 8, 17]. Są one większe w
silnikach głębokożłobkowych i dwuklatkowych, w których już przy 50 Hz występuje
wyraźne wypieranie prądu w uzwojeniu wirnika. Z drugiej strony zwiększona
reaktancja rozproszenia, związana z geometrią żłobków, oddziałuje łagodząco,
ogranicza harmoniczne prądów, które są źródłem strat dodatkowych.

Trudniejsze jest rozpoznanie narażeń wynikających z impulsowego

przebiegu napięcia. Przy zasilaniu silników z falowników napięcia powstają znaczne
straty dodatkowe w magnetowodzie, na drodze strumienia głównego, zależne od
widma harmonicznych napięć fazowych. Łącznie ze wspomnianymi wyżej stratami
dodatkowymi z tytułu odkształcenia prądów fazowych silnika oznacza to (przy
niezmienionych innych warunkach) zwiększony strumień cieplny wydzielany we

-91-

wnętrzu silnika. Tylko eksperymentalnie można wystarczająco dokładnie określić, czy
i w jakim stopniu należy z tych powodów obniżyć parametry standardowego silnika
użytego do zasilania z falownika. Informacje na ten temat powinien podawać
producent silników (tabl. 3). Zwłaszcza w przypadku silników w wykonaniu
przeciwwybuchowym, które też bywają zasilane z przekształtników, kontrolować
trzeba dotrzymanie dopuszczalnych przyrostów temperatury silnika [8].

Rys.5.14. Uproszczony schemat układu zasilania silnika poprzez po

redni przemiennik

stotliwo

ci Od lewej: zasilanie z instalacji TN; bezpieczniki główne obwodu;

rozł

cznik; filtr sieciowy (filtr przeciwzakłóceniowy z dławikami L

spełniaj

cymi równie

rol

dławików komutacyjnych); prostownik diodowy trójfazowy; obwód po

rednicz

du stałego (filtr zło

ony z dławika L

i baterii kondensatorów C

, bezpiecznik B

zwiernik sterowany przetwornikiem pr

du PP); falownik na tranzystorach IGTB z

szybkimi diodami zwrotnymi; obwód wyj

ciowy silnika (przetworniki pr

du, ekranowany

przewód zasilaj

cy, silnik)

-92-

-93-

Z kolei dla izolacji głównej silnika, zwłaszcza dla izolacji żłobkowej zezwojów,

groźne są narażenia napięciowe: wartość szczytowa impulsów napięciowych (U

peak

)

oraz stromości ich narastania (du/dt) podczas przełączania zaworów. Pamiętać trzeba,
ż

e te narażenia następują z częstotliwością przetwarzania napięcia w falowniku, tysiące

razy w ciągu sekundy. Przyjmuje się [17], że narażenia te nie obniżają znacząco
trwałości izolacji silnika o napięciu znamionowym 400V, jeśli są spełnione warunki:
U

peak

< 1000V; du/dt < 500 V/

s. Tymczasem stromość narastania napięcia na wyjściu

falownika może osiągać 2000

3000 V/

s. Przed dojściem do zacisków silnika może ją

wyraźnie zmniejszyć pojemność przewodu łączącego silnik z przekształtnikiem,
zwłaszcza przewodu ekranowanego. Im dłuższy przewód, tym mniejsza stromość
napięcia du/dt na zaciskach silnika, ale wskutek przebiegów falowych zbyt długi
przewód może niebezpiecznie podwyższyć amplitudę napięcia na zaciskach silnika.
Skutecznym, ale kosztownym sposobem ograniczenia narażeń napięciowych izolacji
silnika ( kilkakrotne obniżenie stromości du/dt ) i zmniejszenia prądu upływowego w
obwodzie wyjściowym jest zastosowanie filtru wyjściowego za falownikiem (filtru
sinusoidalnego).

Rozważając specyficzne warunki pracy silników zasilanych z falowników nie

sposób pominąć pytania, jak ich obciążalność zależy od prędkości obrotowej. Problem
nie jest nowy, występował od dawna, również przy regulacji prędkości obrotowej
klasycznymi metodami. Dotyka najbardziej silników o chłodzeniu własnym, o
swobodnym otwartym obiegu powietrza, wymuszonym wentylatorem na wole silnika.
Przy pewnych założeniach upraszczających moc, jaką można taki silnik obciążyć
oceniano [6] jako proporcjonalną do prędkości obrotowej w potędze 1,5 (P

∝

1,5

), tzn.:

72% przy 0,80

⋅

, 46% przy 0,60

⋅

25% przy 0,40

⋅

. Są to warunki zbyt ostre,

pomijając m.in. fakt, iż obniżaniu prędkości obrotowej towarzyszy zwykle obniżanie
napięcia (zasada U/f=const) dla zachowania stałej wartości strumienia magnetycznego.
To, czy ochłodzenie własne silnika wystarczy i do jakiego poziomu obniżonej
prędkości obrotowej, zależy w dużym stopniu od przebiegu charakterystyki momentu
oporowego T

w funkcji prędkości obrotowej n. Dla napędów o charakterystyce

wentylatorowej (T

∝

) wystarcza nawet przy znacznym obniżeniu prędkości, przy

innych przebiegach T

(n), zwłaszcza przy charakterystyce dźwigowej (T

∝

), już

niewielkie obniżenie częstotliwości napięcia zasilającego i prędkości obrotowej silnika
wymaga zredukowania momentu i/lub dodatkowej wentylacji obcej. Użytkownik
napędu nie jest w stanie dokładnie tych zależności określić, powinien ją podawać
producent silników bądź producent przekształtników. Ten ostatni musi zresztą założyć
określoną zależność T

(n), P(n) , I(n) opracowując algorytmy działania

mikroprocesorowych zabezpieczeń przeciążeniowych silnika, stanowiąc integralne
wyposażenie przekształtnika.

5.3. PROBLEMY ZASILANIA I ZABEZPIECZEŃ POŚREDNICH

PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI

Pośredni przemiennik częstotliwości, jak każdy przekształtnik, jest odbiornikiem

nieliniowym, pobierającym prąd odkształcony i wywołującym komutacyjne załamania

-94-

napięcia. Jeśli nie stosuje się środków zapobiegawczych, odznacza się on też dużym
prądem załączeniowym związanym z ładowaniem baterii kondensatorów w obwodzie
pośredniczącym. Dobór elementów obwodu zasilania przemiennika (rys. 5.14)
powinien uwzględniać te okoliczności, poczynając od konstatacji elementarnej – całe
wyposażenie obwodu zasilającego przekształtnik musi być dobrane do prądu
obciążenia pobieranego przez przekształtnik, a nie do prądu przez silnik bądź grupę
silników zasilanych z przekształtnika grupowego. Nie należy zatem kierować się tzw.
„Rampami prądowymi” podawanymi dla obwodu wyjściowego falownika. Ważny jest
prąd znamionowy przekształtnika w określonych warunkach użytkownika, a nie prąd
znamionowy silnika.

Zabezpieczeniem zwarciowym na początku obwodu zasilającego są zwykle

bezpieczniki (ew. rozłącznik bezpiecznikowy albo rozłącznik z bezpiecznikami), przy
czym producent przekształtnika określa właściwa klasę bezpieczników i ich prąd
znamionowy (I

< ... A). Jeśli w bloku wejściowym przemiennika nie ma

indywidualnych bezpieczników przy zaworach mostka prostowniczego, a taka jest
obecna praktyka, to w obwodzie zasilającym instaluje się bezpieczniki o
charakterystyce bardzo szybkiej aR lub gR (wytwórcy północnoamerykańscy zalecają
bezpieczniki CC, rzadziej J lub K). Przy silnym odkształceniu prądu wkładkom o
dużym prądzie znamionowym (> 250 A) trzeba przypisać zredukowany prąd
znamionowy. Jeżeli w obwodzie instaluje się wkładki o niepełnym zakresie zdolności
wyłączania (aR, aM), to potrzebny jest wyłącznik lub rozłącznik samoczynny
wyłączający prądy mniejsze niż najmniejszy prąd wkładki „a”. Nie jest potrzebny prąd
znamionowy wkładek bezpiecznikowych znacznie przekraczający prąd pobierany w
warunkach znamionowych, jak w przypadku silników o rozruchu bezpośrednim, bo
nowsze przemienniki maja układ ograniczania prądu załączeniowego samego
przemiennika (prąd ładowania baterii kondensatorów C

), a prąd rozruchowy silnika

zawsze ograniczono do poziomu jego prądu znamionowego lub niewielkiej krotności
prądu znamionowego (np. 1,5ּI

Jeżeli w obwodzie zasilającym instaluje się stycznik lub inny rozłącznik, to

jego prąd znamionowy ciągły powinien być dobierany do prądu znamionowego
kompletnie wyposażonego przemiennika częstotliwości (z filtrami i obwodem
wejściowym), a zdolność załączania – do prądu załączeniowego przemiennika. Do
rozważenia pozostaje sprawa koordynacji stycznika lub innego rozłącznika z
zabezpieczeniem zwarciowym, tzn. sprawdzenie, czy zastosowany rozłącznik i ew.
przekaźnik przeciążeniowy nadprądowy są należycie dobezpieczone na wypadek
zwarcia w obwodzie. Jeżeli na początku obwodu są bezpieczniki aR lub gR o silnym
efekcie ograniczającym, to nietrudno zapewnić nawet koordynację typu 2, bo – jak
wyżej wspomniano – bezpieczniki nie są przewymiarowane, a ponadto raczej nie
spotyka się w obwodzie zasilającym przemiennik pierwotnych przekaźników
termobimetalowych.

Standardowym wyposażeniem obwodu wejściowego jest przeciwzakłóceniowy

filtr sieciowy, dobierany przez producenta i stanowiący integralne wyposażenie
przekształtnika (rys. 5.14). Ogranicza on zaburzenia przewodzone w kierunku sieci

-95-

zasilającej ( w zakresie częstotliwości ok. 150 kHz), a ponadto spełnia kilka innych
funkcji.

Filtr zawiera szeregowe dławiki sieciowe L

zmniejszające współczynnik

szczytu prądu (ang. Crest factor) i w ogóle zmniejszające nieco odkształcenie prądu
THD pobieranego z sieci oraz ograniczające komutacyjne piki prądu i komutacyjne
załamania napięcia. Poprawia to jakość napięcia w punkcie przyłączenia do wspólnej
sieci (ang. Point of common coupling, PCC) I ułatwia dobór zaworów prostownika
oraz dobór aparatury w obwodzie zasilania przekształtnika. Wszelkie przyrządy
półprzewodnikowe mocy (diody lub tyrystory prostownika, tyrystory lub tranzystory
falownika) mają określony prąd powtarzalny szczytowy przewodzenia, którego
przekroczyć nie wolno. Trzeba je zatem dobierać do wartości szczytowej prądu, a nie
do wartości skutecznej, jak większość innych elementów instalacji. Zmniejszenie
współczynnika szczytu prądu oznacza zatem złagodzenie jednego z najważniejszych
warunków doboru zaworów. Skutkiem ubocznym obecności dławików sieciowych jest
ich łagodzący wpływ na przebiegi i wartości prądów doziemnych w samym
przekształtniku i w obwodzie wyjściowym. Dławiki sieciowe na ogół tak się dobiera,
ż

e przy obciążeniu znamionowym występuje na nich spadek napięcia ok . 4%.

Filtr sieciowy zawiera równoległe kondensatory C

bocznikujące prądy

zakłóceniowe tym skuteczniej, im wyższa jest ich częstotliwość, ale – niestety –
wprowadzające również duży prąd upływowy o częstotliwości 50 Hz. Całkowity prąd
upływowy odprowadzany przez filtr sieciowy do przewodu ochronnego, o widmie
zawierającym liczne harmoniczne, jest jedną ze składowych prądu w przewodzie
ochronnym; pozostałe składowe pochodzą z obwodu wyjściowego przemiennika, a w
niewielkim także z jego wewnętrznych pojemności pasożytniczych. W niektórych
pośrednich przemiennikach częstotliwości dużej mocy prąd upływowy samego
przeciwzakłóceniowego filtru sieciowego przekracza 200mA. Jeśli do tego dodać
prądy upływowe z innych źródeł, stają się oczywiste dylematy związane z ochroną
przeciwporażeniową. W roku 2001 w niemieckiej prasie technicznej próbowano
tworzyć ranking producentów pośrednich przemienników częstotliwości według
rosnącej wartości prądu upływowego.

100

120

harmoniczno

ść

Rys.5.15. Przykładowe widmo harmonicznych pr

du pobieranego z sieci bez dławika Lp

(ciemne słupki) i z dławikiem Lp (jasne słupki)

-96-

Kolejną częścią składową (rys. 14) jest prostownik, mostek jedno- (małej

mocy) lub trójfazowy, diodowy lub tyrystorowy. Nie przedstawia szczególnych
problemów konstrukcyjnych ani zabezpieczeniowych w porównaniu z prostownikami
powszechnie spotykanych zasilaczy impulsowych. Zawory powinny mieć prąd
graniczny I

FAVM

dobrany do prądu załączeniowego przemiennika, o wartości zależnej

od pojemności baterii kondensatorów C

oraz indukcyjności dławika L

obwodu

pośredniczącego. Użycie w prostowniku tyrystorów o sterowanym współczynniku
przewodzenia albo wprowadzenie tranzystora IGBT jako przerywacza w obwodzie w
obwodzie pośredniczącym pozwala dowolnie zmniejszyć prąd załączeniowy, podobnie
jak w układach łagodnego rozruchu silników (ang. Softstart). Stosowane w starszych
konstrukcjach bezpieczniki indywidualne równoległych gałęzi zaworów powinny
przetrzymywać składową prądu załączeniowego płynącą w gałęzi. Z upływem lat
niezawodność zaworów znacznie wzrosła, a bezpieczniki bardzo szybkie do
zabezpieczania zaworów półprzewodnikowych pozostały bardzo drogie, wobec czego
coraz powszechniej poprzestaje się na jednym komplecie takich bezpieczników w
obwodzie zasilania przemiennika.

Obwód pośredniczący prądu stałego (rys. 5.14) zawiera przede wszystkim

baterię kondensatorów C

o dużej pojemności. Dzięki temu z punktu widzenia

zasilania falownika napięcia prostownik objawia się jak źródło napięcia o bardzo małej
impedancji wewnętrznej. Obniża się tętnienie prądu stałego pobieranego z obwody
pośredniczącego i odkształcenie prądu wyjściowego falownika. Zmniejsza to
dodatkowe straty mocy i wpływa korzystnie na trwałość najważniejszych elementów
układu: silnika, przemiennika i samego kondensatora (baterii kondensatorów). Dławik
L

w obwodzie pośredniczącym zmniejsza prąd załączeniowy przemiennika

ograniczając narażenia prądowe zaworów prostownika, wygładza prąd w obwodzie
pośredniczącym i poważnie zmniejsza odkształcenie prądu pobieranego z sieci (rys.
5.15).

Rys.5.16. Drogi przepływu pr

du zwarciowego w razie zwarcia gał

zi falownika

Zwarcia międzyfazowe i doziemne w obwodzie wyjściowym falownika

zagrażają przede wszystkim tranzystorom IGBT. elementom o tak dużej wrażliwości
na przetężenia, że nie są w stanie ich uchronić przed zniszczeniem bezpieczniki o
charakterystyce bardzo szybkiej (aR, gR). Ta szczególna wrażliwość tranzystorów

-97-

IGBT wynika z ich budowy, mianowicie tranzystorem o większym prądzie
wyjściowym Ic jest moduł o strukturze monolitycznej, złożony z wielkiej liczby
równolegle połączonych pojedynczych elementów, z których każdy zawiera
strukturę wejściową MOS (bramkę) i strukturę wyjściową bipolarną przewodzącą
prąd obciążenia stanie włączenia, a także równolegle włączoną szybką diodę
zwrotną (ang. soft-switching-off diode). Na przykład moduł 2400 A zawiera aż 70
tranzystorów, ale ma cieplną stałą czasową w przybliżeniu taką, jak pojedynczy jego
element składowy.

Właściwym zabezpieczeniem tranzystorów IGBT są ultraszybkie układy

elektroniczne odwracające polaryzację napięcia sterującego U

pojedynczych

tranzystorów (blokada bramkowa). Sygnał bramkowy o przeciwnej polaryzacji
wyłącza tranzystor w czasie 2

5 mikrosekund. Gdyby to zabezpieczenie zawiodło i

doszło do uszkodzenia obu tranzystorów jednej gałęzi mostka albo gdyby zostały
one jednocześnie załączone w następstwie uszkodzenia układu sterowania, to
powstałe zwarcie byłoby zasilane (rys. 5.16) z kondensatora obwodu pośredniczącego i
z instalacji obiektu. W pierwszych milisekundach zwarcia, rozstrzygających o
jego skutkach, udział instalacji zewnętrznej w skutku cieplnym I

t prądu

zwarciowego byłby pomijalnie mały. Decydujące znaczenie ma energia zakumulowana
w kondensatorze obwodu pośredniczącego, który rozładowuje się w obwodzie o
bardzo małej rezystancji i bardzo małej indukcyjności, bo ze względu na dużą
częstotliwość przełączania zaworów wszelkie połączenia wewnętrzne falownika

muszą być jak najkrótsze, by ograniczyć indukcyjne spadki napięcia

objawiającymi się jako przepięcia. W sytuacji, jak na rys. 5.16, bez dodatkowych
zabezpieczeń, doszłoby przypuszczalnie do rozerwania obudów modułów tranzystorów
i eksplozji kondensatora, a w następstwie - do zwarć łukowych zagrażających
uszkodzeniem innych bloków przemiennika. Jako zabezpieczenie stosuje się
powszechnie (rys. 5.14) zwiernik zwierający obwód prądu stałego w razie zwarcia w
falowniku, które wykrywa przetwornik prądu w obwodzie pośredniczącym.
Zwiernikiem jest zwykle tyrystor, a jego parametry nie są wygórowane, bo startuje on
ze stanu zimnego, w żadnej innej sytuacji nie przewodzi prądu. Ostatnio niektóre
firmy. np. SIBA [9], zalecają bezpiecznik bardzo szybki w obwodzie pośredniczącym
(rys. 5.14). Jego rolą nie jest zabezpieczenie tranzystorów przed skutkami zwarcia,
bo to niewykonalne, lecz niedopuszczenie do rozerwania obudów modułów
tranzystorowych i baterii kondensatorów C

Nie

stosuje

się

adnych

wyłączników

zabezpieczeniowych

między

przemiennikiem częstotliwości a silnikiem, bo nie jest to konieczne, a ponadto w
wyniku odkształcenia prądu mogłyby występować zadziałania zbędne albo brakujące.
Punktu gwiazdowego uzwojeń silnika nie należy uziemiać.

Przekształtnik zasilam napięciem l,05U

powinien wytrzymywać skutki

zwarcia na zaciskach wyjściowych do c h w i l i zadziałania zabezpieczenia
zastosowanego (ew. zalecanego) przez producenta. W Komitecie Technicznym IEC
TC22 od kilku lat dyskutuje się procedury badań zwarciowych przekształtnikowych

-98-

układów napędowych i jednolite kryteria ich oceny. Po wystąpieniu zwarcia doziem-
nego falownik wyłącza się w czasie nie przekraczającym ok. 100 ms, zależnym od
impedancji przejścia i częstotliwości napięcia wyjściowego. Przemiennik na ogół
ma też elektroniczny układ ograniczenia prądu wyjściowego z możliwością
nastawienia progu prądowego na poziomie przykładowo (l,25

2,0)I

. Ograniczenie

następuje na określony czas, np. 0.5 s, a jeśli zakłócenie trwa dłużej, to obwód
wyjściowy zostaje pozbawiony napięcia przez zablokowanie zaworów. Ponownego
rozruchu musi dokonać operator wyłączając przemiennik spod napięcia i ponownie go
załączając.

5.4. PROBLEMY

KOMPATYBILNOŚCI

ELEKTROMAGNETYCZNEJ OBWODU WYJŚCIOWEGO

Była wyżej mowa o możliwościach ograniczania odkształcenia prądu

pobieranego z sieci, o emisji do niej zaburzeń przewodzonych wysokiej
częstotliwości, o ograniczaniu załamań napięcia i o koordynacji niektórych
elementów

składowych

pośredniego

przemiennika

częstotliwości.

Innym

kłopotliwym problemem jest przewód łączący przemiennik z silnikiem,
przewodzący prąd odkształcony i przenoszący impulsowe napięcie o dużej stromości i
amplitudzie. Problemu nie ma w przypadku konstrukcji zespolonej, kiedy przemiennik
stanowi konstrukcyjną całość z silnikiem o niedużej mocy. Problem jest błahy, kiedy
przemiennik jest zainstalowany tuż przy silniku, w odległości nie przekraczającej
kilku metrów, co zresztą zaleca się, ilekroć warunki środowiskowe w miejscu
instalacji silnika na to pozwalają.

Wchodzi w rachubę użycie przewodów nieekranowanych bądź przewodów

ekranowanych produkowanych specjalnie do takich zastosowań. Przewody
ekranowane są zalecane w dwóch sytuacjach:

•jeśli przestrzeń, w której mają być układane przewody nie jest znacząco

skażona elektromagnetycznie i - ze względu na obecność szczególnie wrażliwych
obiektów - powinna taką pozostać,

•jeśli w tej przestrzeni występuje silny smog elektromagnetyczny, który

mógłby szkodliwie oddziaływać na nowo projektowany obwód wyjściowy falownika.

Przewody ekranowane mają znacznie większe pojemności doziemne (żyła-

ekran) niż przewody nieekranowane, zwłaszcza jeśli te ostatnie nie są układane w
metalowych rurach lub konikach bądź na podłożu metalowym. Te zwiększone
pojemności trzeba oceniać ambiwalentnie:

•

Jest to okoliczność korzystna, bo ekranowanie przewodów zmniejsza stromość
narastania impulsów napięcia dochodzącego do zacisków silnika. Przypadek
ten nawiązuje do klasycznego zastosowania kondensatorów w ochronie
przeciwprzepięciowej z tym, że tutaj są to pojemności rozłożone, a nie
skupione.

•

Jest to okoliczność niekorzystna, bo skokowe zmiany napięcia w obwodzie
wyjściowym

wywołują

przepływ

znacznych

impulsowych

prądów

upływowych przez pojemności międzyprzewodowe i doziemne żył przewodów
ekranowanych. Te prądy upływowe, o przebiegu tłumionych oscylacji,

-99-

stanowią dodatkowe obciążenie falownika, utrudniają dobór zabezpieczeń
przeciążeniowych nadprądowych na jego wyjściu i komplikują rozwiązania
ochrony

przeciwpożarowej

nawet

niektóre

szczegóły

ochrony

przeciwzakłóceniowej.

W rezultacie, korzystne ze względu na pewne aspekty ochrony

przeciwzakłóceniowej, przewody ekranowane nie mogą być zbyt długie. Na przykład
dla przemienników VLT firmy Danfoss dopuszczalna długość przewodów obwodu
wyjściowego wynosi:

150 m - dla przewodów ekranowanych (120

220 pF/m); jeśli długość obwodu

jest większa, mogą okazać się konieczne silniki o podwyższonej obciążalności
napięciowej, np. co najmniej 1000 V/

i 1300 V.

300 m - dla przewodów nieekranowanych.
W sytuacjach kłopotliwych wchodzi w rachubę użycie filtru wyjściowego ( n a

wyjściu falownika) zmniejszającego stromość napięcia w obwodzie wyjściowym (filtr
du/dt) i tłumiącego impulsowe prądy upływowe, co umożliwia wydłużenie przewodów
do silnika.

Skoro przez pojemności obwodu wyjściowego płyną znaczne prądy, to prąd

wyjściowy przemiennika nie jest równy prądowi wpływającemu do silnika, a różnica
jest szczególnie duża w przypadku silników o małej mocy zasilanych długimi
przewodami ekranowanymi. W takich przypadkach prąd na wyjściu falownika nie jest
miarodajną wielkością ani dla celów sterowania, ani dla celów zabezpieczenia
przeciążeniowego silnika. Układ zabezpieczeń silnika, działający na takiej zasadzie, jak
opisane w rozdz. 1.2 przekaźniki nadprądowe mikroprocesorowe wraz z czujnikami
temperatury w s i l n i k u i wszystkimi dodatkowymi członami (niesymetrii prądowej i
napięciowej, podnapięciowym itd.), jest integralną częścią przemiennika częstotliwości.

Idealnie

Styczno

ść

z SW

na całym

obwodzie

kraw

dzi ekranu

Zakazane

Akceptowane

Szyna masy
przył

czona

do obudowy

Poprawne

Obejma

Rys.5.17. Rys. Sposoby przył

czania ekranu elektromagnetycznego na ko

cach przewodu

ekranowanego.

-100-

Sposoby przyłączania ekranu elektromagnetycznego na końcach

przewodu ekranowanego.

Jeśli przewody łączące przemiennik z silnikiem są ekranowane, to należy

przestrzegać następujących zasad:

•Ekran elektromagnetyczny jest elementem ochrony przeciwzakłóceniowej i nie

powinien być wykorzystywany jako samodzielny przewód ochronny PE.

•Przewód ochronny PE obwodu silnikowego powinien być jedną z żył

przewodu ekranowanego, a nie osobno ułożonym przewodem. Ma być objęty ekranem.

•Ekran powinien być obustronnie uziemiony przez połączenie z szyną

ochronną przemiennika (na początku) i korpusem silnika (na końcu).

•Zakończenie ekranu nie powinno być przyłączane do zacisku wyrównawczego

metodą „świńskiego ogonka" (niem. Schirmschwänzchen), jak na górnym lewym
szkicu z rys. 5.17. Zaledwie półśrodkiem są obejmy zaciskowe obejmujące ekran
praktycznie na całym obwodzie. Tam. gdzie ważna jest ochrona przed zakłóceniami o
częstotliwości rzędu l MHz i większej ekran powinien być na całym obwodzie
przewodu połączony bezpośrednio z przewodzącą obudową urządzenia, do którego
wprowadza się przewód (dolny prawy szkic na rys. 5.17). Pojedynczy przewód ma
indukcyjność ok. l

H/m. dwa „ogonki" o długości po 0.1 m na obu końcach

przewodu maja zatem indukcyjność 2 • 0.1m • l

H/m = 0,2

H. co przy

częstotliwości prądu zakłóceniowego l MHz daje reaktancję X =

•L = 2π•1O

•

0,2•10

= l .25

Ω

. Impedancja sprzężeniowa ekranu grupy żył ma wartość zależną od

budowy przewodu, a zwłaszcza jego ekranu (rys. 5.18). Jeżeli za wartość przeciętną
przyjąć l m

Ω

/m. dochodzi się do zaskakującego wniosku: przy częstotliwości l MHz

dwa króciutkie „ogonki" na końcach przewodu wprowadzają takie napięcie
zakłóceniowe, jak impedancja sprzężeniowa ekranu odcinka przewodu o długości
1250 m.

-101-

Rys.5.18. Impedancja sprz

ęż

eniowa [m



\m] ekranu grupy

ył przewodów ró

nej budowy w

zale

ci od cz

stotliwo

ść

) (materiały firmy Danfoss)

Uziemienie robocze(funkcjonalne)elektronicznych układów sterowania w

zasadzie należy łączyć z szyną ochronną PE przekształtnika i/lub rozdzielnicy.
Połączenia powinny być jak najkrótsze i wykonane przewodami płaskimi(taśmami).W
tym celu szyna ochronna o dużym przekroju powinna być wystarczająco długa (np. na
całą wysokość pola rozdzielnicy) i powinna być dostępna tuż przy każdym bloku
wymagającym takiego połączenia. Dla ochrony przeciwzakłóceniowej impedancja
połączeń z szyną (zależna od częstotliwość) jest znacznie ważniejsza niż rezystancja
uziemienia tej szyny.

5.5. 5.PROBLEMY OCHRONY PRZECIWPORAśENIOWEJ

Przemienniki częstotliwość oraz ich obwody zasilające i wyjściowe, łącznie z

silnikami, podlegają ogólnym zasadą ochrony przeciwporażeniowej, oczywiście z
uwzględnieniem specyficznych i trudnych obwodów związanych z przekształtnikami
energoelektronicznymi.

Obowiązuje ochrona podstawowa (ochrona przed dotykiem bezpośrednim)

polegająca na stosowaniu izolacji podstawowej części czynnych oraz osłon o
odpowiednim stopniu ochrony IP. W przypadku izolacji podstawowej pamiętać trzeba

-102-

o jej narażeniu na wszelkie przepięcia ,również przepięcia komutacyjne o wartości
zależnej nie tylko od stromości prądu ,lecz również od indukcyjności połączeń
wewnętrznych. O odporności przemiennika na napięcia impulsowe decyduje
wytrzymałość elektryczna izolacji elektrod tranzystorów IGBT względem uziemionego
radiatora. Przestrzegać trzeba wszelkich uznanych reguł technicznych konstrukcji
przekształtników, nawet tych pozornie błahych. Na przykład płytki obwodów
drukowanych powinny być mocowane raczej pionowo, a nie poziomo, by były mniej
narażone na osiadanie kurzu. Różne zabiegi konstrukcyjne [12] pozwalają zwiększyć
bezpieczeństwo personelu podczas przygotowania urządzenia do pierwszego
uruchomienia, czynności regulacyjnych i wyszukiwania uszkodzeń.

Obowiązuje na ogólnych zasadach ochrona dodatkowa (ochrona przy dotyku

pośrednim).Oznacza to, że w razie uszkodzenia izolacji podstawowej, w razie zwarcia
z częścią przewodzącą, dostępną, powinno nastąpić:

•

albo samoczynne wyłączenie zasilania przez przystosowane do tego
zabezpieczenie

zwarciowe

bądź

różnicowoprądowe

przerwaniem

galwanicznej ciągłości obwodu zasilania)

•

albo ograniczenie występujących napięć dotykowych do poziomu nie
przekraczającego wartości dopuszczalnych)

Rys.5.19. Reprezentatywne miejsca zwar

doziemnych w obwodach po

redniego przemiennika

stotliwo

Oczywiście układ powinien być zabezpieczony przed skutkami zwarć

powstałych w dowolnym miejscu instalacji. (rys. 5.19):

•

-zwarć między biegunowych powodujących cieplne i elektrodynamiczne
natężenia elementów instalacji oraz

•

-zwarć doziemnych powodujących zagrożenie porażeniem, a w układzie TN –
również narażenia cieplne i elektrodynamiczne elementów instalacji.

-103-

Osobliwością obwodów wszelkich przekształtników jest to, że przebieg

czasowy prądu zwarciowego zależy od miejsca zwarcia i że zwarcie międzybiegunowe
i zwarcie doziemne w tym samym miejscu może charakteryzować się innym
przebiegiem prądu zwarciowego.

Przy zwarciu doziemnym w obwodzie zasilającym pośredniego przemiennika

częstotliwości płynie prąd o przebiegu i wartości, jak w każdym innym obwodzie
instalacji o układzie TN . Fakt, że obwód zasila akurat przemiennik jest bez znaczenia,
dopóki miejsce zwarcia znajduje się przed zaciskami wejściowymi samego
przemiennika. Przy zwarciu doziemnym w obwodzie pośredniczącym płynie prąd
jednokierunkowy o określonym tętnieniu.

W razie zwarcia doziemnego w obwodzie wyjściowym płynie prąd przemienny

odkształcony. Obwód wyjściowy jest obciążony niesymetrycznie, a przy zasilaniu z
układu TN stopień asymetrii jest duży, ale obwód pośredniczący prądu stałego sprawia,
ż

e obwód zasilający przemiennika mimo to jest nadal obciążony symetrycznie.

Następuje symetryzacja prądów po stronie zasilania przemiennika i nie można liczyć
na to, że w wyniku zwarcia jednofazowego z ziemią w obwodzie wyjściowym prąd w
jednej z faz obwodu zasilającego przekształtnik wzrośnie i to w stopniu
umożliwiającym pobudzenie zabezpieczenia nadprądowego.

Falownik przemiennika jest wyposażony w zabezpieczenia od skutków zwarć

międzybiegunowych i doziemnych w obwodzie wyjściowym, ale kryterium ich
działania jest zabezpieczenie przed uszkodzeniem przekształtnika, zwłaszcza
wyjątkowo wrażliwych tranzystorów IGBT , a nie wymagania ochrony
przeciwpożarowej. Algorytm działania może być następujący:

•

-pomimo wystąpienia doziemienia układ nadal pracuje, jeśli prąd doziemny ma
niewielką wartość (zasilanie z układu IT i/lub duża rezystancja w miejscu
zwarcia),

•

-w razie wystąpienia dużego prądu zwarcia L-PE (zasilanie z układu TN i mała
rezystancja w miejscu zwarcia) następuje bezzwłocznie (<10ms) wyłączenie
napięcia wyjściowego poprzez wyłączenie tranzystorów falownika; takie
zadziałanie zabezpieczeń przekształtnika nie daje szansy interwencji żadnemu
poprzedzającemu zabezpieczeniu nadprądowemu a to filtrami.

Jednakowo ż, jak to można przeczytać w punkcie3.3.5 projektu nowelizacji

przepisów [11], ,,Stan blokowania łącznika półprzewodnikowego lub przekształtnika
nie powinien być uważany za wyłączenie zasilania dla celów ochrony
przeciwporażeniowej’’ , bo nie gwarantuje galwanicznego oddzielenia uszkodzonego
obwodu od poprzedniej instalacji zasilającej pozostającej pod napięciem. Z różnych
względów funkcjonalnych zawory, zwłaszcza zawory głównie w pełni sterowane, są
bocznikowane a to diodami zwrotnymi, a to filtrami.

Jeżeli nawet z podanych powodów nie można zapewnić samoczynnego

wyłączenia zasilania to skuteczność ochrony dodatkowej bez trudu mogą
zagwarantować odpowiednio wykonane miejscowe połączenia wyrównawcze :

-104-

•

-do przemiennika i silnika należy doprowadzić przewody ochronne PE o
wymaganym przekroju ,w żadnym razie nie mniejszym niż 10mm2 (miedziane)
ze względu na duży prąd upływowy

•

-w poprzedzających rozdzielnicach należy wykonać połączenia wyrównawcze
PE z pobliskimi częściami przewodzącymi obcymi

•

-jeżeli przemiennik i / lub silnik są oddalone od są oddalone od rozdzielnicy z
miejscowymi połączeniami wyrównawczymi , to zaleca się wykonać połączenia
wyrównawcze między szyną ochronną przemiennika i / lub korpusem silnika a
najbliższymi częściami przewodzącymi obcymi.

•

-skuteczność ochrony dodatkowej za pomocą połączeń wyrównawczych
miejscowych można potwierdzić obliczeniowo zgodnie z postanowieniem PN-
IEC60364-4-41, pkt 413.1.3.5.

Jako rozwiązanie ostatnie w kolejności wchodzą w rachubę wyłączniki

różnicowoprądowe, jako urządzenia zapewniające samoczynne wyłączenie zasilania.
Jest to rozwiązanie, do którego z następujących powodów nie należy uciekać się
pochopnie:

•

-przemienniki częstotliwości bywają instalowane w obwodach silników,
których ciągłość pracy ma pierwszorzędne znaczenie i trudno akceptować
zbędne ich wyłączenia z błahych powodów, bez istotnego zagrożenia, np. z
powodu

przejściowego

zwiększonego

prądu

upływowego.

Lobby

różnicowoprądowe ukrywa przed polskimi elektrykami, że Normy Europejskie
zabraniają stosowania wyłączników różnicowoprądowych w obwodach
bezpieczeństwa, a wielu innych – odradzają ich stosowanie.

•

-W rozważanym układzie występują duże prądy upływowe samego
przemiennika (filtr wejściowy, ewentualny filtr wyjściowy, pojemności
pasożytnicze ) i obwodu wyjściowego ( przewód, zwłaszcza ekranowy,
pojemności doziemne uzwojeń silnika ). Prąd upływowy samego przemiennika
dużej mocy może przekraczać 0,2A, a całego układu- przekraczać wartość 1 A.
dla uniknięcia zbędnych wyłączeń prądu niezadziałania wyłącznika
różnicowoprądowego powinien być z pewnym marginesem bezpieczeństwa
większy niż prąd różnicowy w miejscu zainstalowania. Tymczasem trudno te
prądy porównać, skoro prąd niezadziałania wyłącznika odnosi się do prądu 50
Hz, a prąd różnicowy ma widmo częstotliwościowe od zera do dziesiątków,
kiloherców i więcej. Nieliczni producenci podawali dotychczas, jak włącznik
zachowuje się przy prądzie różnicowym o częstotliwości zwiększonej najwyżej
do 400 Hz, unikając jakichkolwiek informacji o działaniu przy częstotliwości
jeszcze większej. Trzeba, więc używać wyłącznika różnicowoprądowego o
stosunkowo dużym znamionowym różnicowym prądzie zadziałania i to
wyłącznika, którego pobudzenie przy rzeczywiście występującym przebiegu
prądu różnicowego nie jest w pełni rozpoznane.

-105-

Zważywszy, że prąd różnicowy może mieć rozmaity przebieg w czasie (rys.

5.19), może mieć widmo obejmujące prąd stały i składowe przemienne o szerokim
zakresie

częstotliwości,

obwodach

zasilających

pośrednie

przemienniki

częstotliwości wymagane są [18] urządzenia różnicowoprądowe o wyzwalaniu typu B,
czyli kosztowne i durze, z dwoma systemami detekcji prądu różnicowego.

Jak widać, poprawny dobór wyłączników różnicowoprądowych do obwodu

przekształtników jest kłopotliwy [3, 10, 12,13]. Sytuacje można trochę poprawić przez
ograniczenie impulsowych prądów upływowych w obwodzie wyjściowym,
wynikających z częstotliwości przetwarzania napięcia w falowniku, stosując na
wyjściu przemiennika dławiki trójfazowe: dławik symetryczny obniżający wartość
szczytową prądu płynącego przez pojemności między fazowe i dławik spolaryzowany
tłumiący składową prądu płynącą pojemności doziemne.

Klasyczny wyłącznik różnicowoprądowy o wyzwalaniu typu B, o

czułości 30 mA da się zastosować tylko w obwodzie zasilającym przemiennika
niewielkiej mocy, np. 5 kW, o krótkim obwodzicie wyjściowym. W urządzeniach
przemysłowych z przemiennikami dużej mocy i dłuższymi obwodami wyjściowymi
klasyczny wyłącznik B o czułości 300 lub 500 mA może podlegać nieustannym
zbędnym pobudzeniom.

Nadzieję na rozwiązanie błędnego koła przedstawionych wyżej

dylematów

stosowania

wyłączników

różnicowoprądowych

obwodach

przekształtników większej mocy przynoszą najnowsze konstrukcje na wpół
inteligentnych wyłączników. Wykorzystują one tę okoliczność, że:

Inne jest widmo prądów upływowych podczas normalnej pracy, na które

wyłącznik nie powinien reagować.

Inne jest widmo prądów o zwarć doziemnych, po wykryciu, których wyłącznik

powinien wyłączyć chroniony obwód.

Chodzi o wyłączniki o wyzwalaniu typu B, o działaniu niezależnym od napięcia

sieciowego, do pracy w obwodach o napięciu 30

400 Vac, o prądzie znamionowym

ciągłym do 125A krótkozwłoczne i zwłoczne ( selektywne S), aby przetrzymały
przejściowe prądy różnicowe towarzyszące załączaniu przemienników częstotliwości.
Wykrywają wszelkie wchodzące w rachubę prądy różnicowe od prądu stałego o
pomijalnym tętnieniu do prądów wysokiej częstotliwości (do50 kHz). Mają
zmniejszoną czułość na prądy różnicowe o częstotliwości 100

1000Hz, co ma

zapobiegać zbędnym zadziałaniem wywołanym przez harmoniczne rzędu podzielnego
przez trzy (ang. triplen), płynące w przewodzie ochronnym: trzecią (150 Hz), dziewiątą
(450 Hz) oraz piętnastą (750 Hz), dominujące w prądzie różnicowym wykrywanym
przez wyłącznik.

Jeżeli prąd zadziałania przy częstotliwościach większych niż 100Hz nie

przekracza 0,3A, to paradoksalnie taki wyłącznik mógłby być uznany za ochronę
uzupełniającą na równi z wyłącznikiem 30mA w obwodzie 50Hz. O ile bowiem przy
częstotliwości 1 kHz prąd graniczny samouwolnienia jest tylko 1,6-krotnie większy
niż prąd 50 Hz wywołujący ten san efekt. To graniczny długotrwały prąd
niefibrylacyjny jest aż 14-krotnie większy (14*30 mA= 420mA), a to właśnie prąd

-106-

niefibrylacyjny jest obecnie głównym kryterium ochrony uzupełniającej. Przed
jakimkolwiek rozstrzygnięciem normalizacyjnym należałoby jednak wziąć pod uwagę
wszelkie inne skutki patofizjologiczne długotrwałego rażenia prąden 300mA o
częstotliwości 1000 Hz.

Rys.5.20. Zale

ść

du niezadziałania (dolna linia) i pr

du zadziałania (grna linia)

wył

czników ró

nicopr

dowych DFS 8B FU w zale

ci od cz

stotliwo

ci pr

róznicowego zmieniaj

cej si

od 1 Hz do 50 kHz; a) wył

cznika o znamionowym

ró

nicowym pr

dzie zadziałania 30mA (w zakresie 1

100 Hz); b) wył

cznika o

znamionowym ró

nicowym pr

dzie zadziałania 1000mA (w zakresie 1

100 Hz oraz

1,5

50 kHz )

Takie właściwości firma Doepoke [19] przypisuje swoim wyłącznikom DSB

4B oraz DFS 4B FU, które niedawno ukazały się na rynku. Ten drugi mógłby być
użyty w roli ochrony uzupełniającej, jeżeli częstotliwość napięcia wyjściowego
falownika nie przekracza 100 Hz. W takim przypadku przy oporowym zwarciu
doziemnym nie mogą pojawić się prądy różnicowe o częstotliwości z zakresu
100

1000 Hz, lecz tylko prądy o częstotliwości sieciowej (50 Hz), o częstotliwości

napięcia wyjściowego (

≤

100 Hz) oraz o częstotliwości przełanczania falownika i jej

harmonicznych (> 1kHz). Trzeci z oferowanych typów wyłączników to DFS 4B FU S
(zwłoczny) umożliwiający wybiorczą współpracę z poprzednimi odmianami
wyłączników krótkozwłocznych. Niektóre wykonania wyłączników mają znamionowy
różnicowy prąd zadziałania (0,03A przy 50 Hz) nienastawialny, jak w większości
innych konstrukcji, inne – umożliwiają nastawianie tego prądu, wybranie właściwej
wartości spośród następujących: 0,1A, 0,3A i 10A. prezentowane wyłączniki
różnicowoprądowe są przeznaczone w szczególności do obwodów zasilających silnik
poprzez pośrednie przemienniki częstotliwości. Nie znaczy to jednak, że są one
jedynym rozwiązaniem ochrony przeciwporażeniowej w takich instalacjach ani nawet,
ż

e są rozwiązaniem szczególnie zalecanym.

5.6. LITERATURA DO ROZDZIAŁU

[1 ] Bernartt J.: Silniki indukcyjne do zasilania przekształtnikowego. Wiad. Elektot. 1998, nr 4, s. 222-225.
[2 ] Charoy A.: Zakłucenia w urządzeniach elektronicznych. Tom 3. WNT, Warszawa, 2000.
[3 ] Dorner H.: Betrieb von Umrichtern und FI-Schutzschaltern in einer Anlage. Antriebstechnik, 2000, nr 4,
s. 44-45.

-107-

[4 ] Gómez J. i inni: Fuse unexpected operations in soft-starters by dissimilar current distribution. Proc. Sixth
Int. Conf. Electr. Fuses and their Applicat., Turin, 1999, s. 177-181.
[5 ] Grigsby L. C.: the electric power engineering handbook. CRC Press, IEEE press, N.Y.,1998.
[6 ] Janczewski J.: Obciążalność silników przy regulacji prędkości obrotowej. Wiad. Elektot., 1957, nr2, s.
39-40.
[7 ] Kyei J. i inni: The design of power acceptability curves. IEEE Trans. Power Delivery, 2002, nr 3, s.828-
833.
[8 ] Lehrmann Ch., Lienesch F., Engel U.: Oberschwingungsverluste und Erwärmungen umrichtergespeister
Induktionsmaschinen. Bestimmung der Verluste in Abhängigkeit der Betriebsparameter. Bull. SEV, 2002, nr
15, s.9-14.
[9 ] Liszak V.: schmelzsicherungen im frequenzumrichter – Vereinfachte Auslegung durch Rechner-
simulation. Etz, 1996, nr 9, s.30-33.
[10] Michalski A. I inni: Zabezpieczenia zwarciowe I kompatybilność przekształtnika częstotliwości
zasilającego silnik napędowy. Wiad. .Elektot., 2004, nr9, s. 31-33.
[11] Musiał E., Jabłoński W.: Warunki techniczne jakim powinny odpowiadać urządzenia
elektroenergetyczne niskiego napięcia w zakresie ochrony przeciwporażeniowej. Biuletyn SEP. INPE
„Informacje o normach i przepisach elektrycznych”, nr 24, marzec1999, s. 3-56.
[12] Pytlak A., Świątek H.: Ochrona przeciw porażeniowa w układach energoelktronicznych. COSiw SEP,
Warszawa, 2002.
[13] RCD-Einstaz in Anlagen mit elektronischen Betriebsmitteln. Elektro praktiker, 2004,nr 4, s. 340-341.
[14] Rice D.: Adjustsble speed drive and power rectifier harmonics-Their effect on power system componets.
IEEE Trans. Ind. Applicat., 1986,nr 1,s.161-177,
[15] Wagner V. E. I inni: Effects of harmonics on equipment – Report of the IEEE Task Force. IEEE Trans.
Power Delivery, 1993, nr 2, s. 672-680.
[16] Zyborski J., Lipski T., Czucha J.: Zabezpieczenia diód i tyrystorów . WNT, Warszawa, 1985.
[17] PN-E_06717:1994 Maszyny elektryczne wirujące. Wytyczne stosowania silników indukcyjnych
klatkowych zasilznych z przekształtników.
[18] PN-EN-50178:2003 Urządzenia elektroniczne do stosowania w instalacjach dużej mocy.
[19] Witryna internetowa firmy Doepke.

Główne źródło:

Musiał E.: Zabezpieczanie siklników zasilanych z pośrednich przemienników częstotliwości. Biul. SEP INPE
„ informacje o normach i przepisach elektrycznych”, 2004, nr 59-60,s.l3-35.

6. OCHRONA

PRZECIWPORAśENIOWA

INSTALACJI

NAPĘDOWYCH Z NAPIĘCIOWYMI PRZEMIENNIKAMI
CZĘSTOTLIWOŚCI

6.1.

PRACA PRZEMIENNIKA NAPIĘCIOWEGO W STANACH

AWARYJNYCH.

Napięciowy przemiennik częstotliwości stosowany w napędzie silników

indukcyjnych jest nieliniowym odbiornikiem energii zawierającym dużą pojemność
gromadzącą energię napięcia stałego. Następuje w nim podwójna transformacja
energii. Energia napięcia przemiennego o stałej wartości skutecznej i częstotliwości
przekształcana jest na napięcie przemienne o regulowanej wartości skutecznej i
częstotliwości. W tym procesie pośrednio energia zasilania przemiennika
przekształcana jest na energię napięcia stałego. Schemat blokowy przemiennika
napięciowego z zaznaczeniem potencjalnych punktów doziemienia elementów
czynnych o różnych rodzajach prądu doziemnego przedstawiono na rys. 6.1.

-108-

falownik

stopie

redni

prostownik

3x400V

SILNIK AC

Rys.6.1. Schemat blokowy przemiennika napi

ciowego z prostownikiem 3F6D i silnikiem. Pr

doziemne: A – pr

d przemienny o parametrach sieci zasilania, gdzie U

SK ZW

=230V, f =

50Hz, B – pr

d stały, gdzie U

DC ZW

=1/2xU

=280V, C – pr

d o kształcie fali

prostok

tnej, gdzie: U

p ZW

= 280V i f

= kilka kHz).

Napięciowe przemienniki częstotliwości stanowią trudny do analizy pod

względem ochrony przeciwporażeniowej odbiornik energii elektrycznej. Jest to
urządzenie pracujące w rozproszonej strukturze ze względu na znaczną odległość
silnika od przemiennika częstotliwości. Nawet bez stosowania dodatkowych filtrów
LC dołączonych do wyjść mocy przemiennika odległości te osiągają wartości do
300m. W wielu zastosowaniach wymagane jest stosowanie kabla silnikowego
ekranowanego lub zbrojonego ze względu na konieczność ograniczenia zaburzeń
elektromagnetycznych emitowanych do otoczenia. Uziemienie ekranu/zbrojenia kabla
silnikowego jest niezbędne dla ograniczenia emisji zaburzeń EMC. To uziemienie jest
jednocześnie przyczyną zwiększonych dodatkowych prądów doziemnych o wysokich
częstotliwościach. Ze względu na cechy modulacji MSI (ang. PWM) zawartość
wyższych harmonicznych w napięciu wyjściowym przemiennika zwiększa się przy
niskich częstotliwościach harmonicznej podstawowej prądu silnika, a więc przy małej
prędkości obrotowej silnika [1]. Taka sytuacja, przy stosowaniu zabezpieczeń
różnicowoprądowych może spowodować wyłączenie instalacji napędowej z pracy, ze
względu na dużą wartość prądu doziemnego w przewodzie ochronnym PE. Stosowane
wysokoczułych

wyłączników

różnicowoprądowych

(30mA)

jako

ochrony

uzupełniającej w tego typu instalacjach jest działaniem uniemożliwiającym jej
poprawną pracę. Nieuzasadnione wyłączenia zasilania napędów z przemiennikami
napięciowymi, które są powodowane jedynie wzrostem prądu upływu doziemnego w
normalnych warunkach pracy przemiennika, prowadzą do dużych strat gospodarczych.

Stosowanie

przeciwporażeniowych

wyłączników

różnicowoprądowych,

niezależnie od ich rodzaju (AC, A, B) jest niewłaściwe i niezasadne w instalacjach z
napięciowymi przemiennikami częstotliwości.

Można rozważać zasadność stosowania mniej czułego wyłącznika typu A czy B

dla zwiększenia skuteczności ochrony przeciwpożarowej, ale i to zastosowanie jest
dyskusyjne. Wyłączniki różnicowoprądowe są produkowane dla odbiorników o mocy
do ok. 50kW [2]. Często nie ma powodu stosować innego układu zasilania dla
napędów z przemiennikami do 50kW i innego powyżej tej mocy. śadna DTR
producenta przemienników produkowanych w UE i oznaczonych znakiem CE nie
sugeruje

stosowania

ochronie

przeciwporażeniowej

wyłączników

-109-

różnicowoprądowych. W Polsce obowiązuje ta sama norma w zakresie ochrony
przeciwporażeniowej jak krajach UE, tj. PN-IEC60364.

W dalszej części opracowania autor przeprowadzi analizę cech przemiennika

częstotliwości istotnych dla zrozumienia zasady budowy układu zasilania z właściwą
ochroną dodatkową. Ochrona podstawowa zwykle nie budzi większych kontrowersji i
jest zapewniona przez zastosowanie odpowiednich osłon urządzeń i izolacji kabli.

6.2. PRĄDY I NAPIĘCIA NA WEJŚCIACH I WYJŚCIACH

MOCY PRZEMIENNIKA NAPIĘCIOWEGO

W przemiennikach małych i średnich mocy stosowany jest wejściowy

mostkowy prostownik diodowy 3F6D obciążony znaczną pojemnością obwodu
pośredniego. Kształt odkształconej fali wejściowego prądu fazowego na tle sinusoidy
napięcia fazowego przedstawiono na rys. 6.2.

Rys.6.2. Typowy przebieg napi

cia fazowego i pr

du przewodowego na zasilaniu przemiennika

napi

ciowego z prostownikiem 3F6D. U

=200V, I

= 5A, T

=5ms, P

NPC

=2.2kW.

Przemiennik

napięciowy,

tak

jak

większość

odbiorników

energoelektronicznych, jest generatorem mocy odkształconej wprowadzanej do sieci
zasilania. Moc odkształcona wzrasta wraz z niedociążeniem przemiennika.
Zagadnienie to jest szczególnie istotne przy głębokiej regulacji silników napędów
pomp wirowych i wentylatorów. Ze względu na duże niedociążenie przemiennika, przy
pracy napędu poniżej prędkości nominalnych, wzrasta moc odkształcona generowana
do sieci zasilania w stosunku do warunków pracy przy obciążeniu nominalnym,
powoduje to zwiększenie prądów upływu doziemnego. Dla ograniczenia wyższych
harmonicznych prądu niższych rzędów stosuje się zwykle dławiki ac, włączone na
wejściach prostownika lub dławiki dc włączone do wyjść stałonapięciowych
prostownika, rys. 6.3.

Rys.6.3. Wpływ dławików ac i dc prostownika na ograniczenie zawarto

ci harmonicznych pr

szych rz

dów zilustrowane warto

współczynnika THDi [4].

-110-

Harmoniczne prądu wyższych rzędów przenoszą mniejszą energię mocy

odkształconej i ich negatywny wpływ na sieć zasilania ograniczany jest
wejściowymi filtrami radioelektrycznymi typu LC.

Wyjścia mocy przemienników wskutek cyfrowego przełączania napięcia

z dużą częstotliwością, rzędu kilku kHz, powodują występowanie prądów
pojemnościowych międzyprzewodowych i doziemnych tak w kablu
silnikowym jak i samym silniku, rys. 6.4.

Rys.6.4. Napi

cie mi

dzyfazowe i pr

d wyj

ciowy przemiennika obci

ąż

onego silnikiem

klatkowym.T

=5ms. U

=200V, I

=5A, f

=40Hz, b). Napi

cie mi

dzyfazowe i pr

wyj

ciowy przemiennika obci

ąż

onego silnikiem klatkowym.T

=0,1ms, U

=200V,

=5A, f

=4,0kHz, c) Napi

cie fazowe i pr

d wyj

ciowy przemiennika obci

ąż

onego

silnikiem klatkowym. T

=5ms. U

=200V, I

=5A, f

=40Hz

Obwód pośredni zawierający dużą pojemność akumulującą energię stanowi

dodatkowe źródło potencjalnego zagrożenia porażeniowego, nawet przy
odłączonym od zasilania przemienniku. Czas rozładowywania się kondensatorów
obwodu pośredniego jest zależny od mocy przemiennika i wzrasta wraz z jego
mocą osiągając czasy nawet do 20min. DTR przemiennika ściśle precyzuje ten czas
i wcześniejsze otwieranie obudowy urządzenia (usuwanie ochrony podstawowej)
jest niedopuszczalne ze względu niebezpieczeństwo porażenia.

Należy zwrócić uwagę na niebezpieczeństwo jakie może wystąpić np. przy

gaszeniu pożaru silnika czy kabla silnikowego, gdyż przy uszkodzeniu tranzystora
IGBT i zatrzymanym silniku może do czasu rozładowania baterii kondensatorów
przemiennika, utrzymywać się napięcie stałe między przewodami fazowymi kabla
silnikowego i kabla uziomu o wartości od ok. ½ U

przemiennika.

6.3. PRZEMIENNIK CZĘSTOTLIWOŚCI, A ZAGROśENIE

PORAśENIEM

Pomiar impedancji pętli zwarcia jest podstawowym pomiarem w ocenie

osiągnął

dostatecznie

dużą

wartość

zapewniającą

zadziałanie

przetężeniowych urządzeń ochronnych w wymaganym krótkim czasie, np. 0,2s; 0,4s;
czy do 5s [5].

Przed przystąpieniem do wyboru zabezpieczenia przetężeniowego należy

ustalić:

Maksymalny czas wyłączenia zasilania dla danego znamionowego napięcia

fazowego (w stosunku do ziemi) U

i dopuszczalnego długotrwałego napięcia dotyku

-111-

(z tablicy maksymalnych czasów wyłączania obwodów pracujących w układzie

TN, wg normy PN-IEC60364).

Korzystając z charakterystyk czasowo prądowych i danych znamionowych

urządzeń ochronnych (wkładki topikowe, wyłączniki nadmiarowo prądowe) ustalamy
wartość prądu I

powodującego samoczynne zadziałanie urządzenia ochronnego w

czasie ustalonym w poprzednim punkcie.

Prądy wyłączalne wkładek topikowych odczytujemy z ich charakterystyk

pasmowych.

Mając na uwadze utrudnione odczytywanie wartości liczbowych z

charakterystyk t=f(i) przedstawianych w skali logarytmicznej, często podaje się je w
postaci tabelarycznej. W tablicy parametrów technicznych wkładek topikowych podaje
się wartości maksymalnych prądów zadziałania (przepalenia) wkładek topikowych dla
czasów 0,2s; 0,4s; 5s.

Można zastosować także elektromagnetyczny wyłącznik nadmiarowo-prądowy,

np. typu S190 typ A (I

= 3I

). Przemiennik napięciowy od strony wejść zasilających

należy traktować jako obciążenie rezystancyjne, dlatego i styczniki na wejściach
zasilania dobieramy wg charakteru obciążalności typu AC-1.

Prąd wyłączalny obliczany ze wzoru:

Korzystając z zależności;

≤

[ 6.1 ]

gdzie: Z

- impedancja pętli zwarcia w [

Ω

], U

- napięcie znamionowe

względem ziemi w [V], I

- prąd powodujący samoczynne zadziałanie

urządzenia ochronnego w [A].

obliczamy dopuszczalną maksymalną wartość impedancji pętli zwarciowej,

gwarantującej samoczynne wyłączenie zasilania w danym czasie.

Dla przemiennika napięciowego należy zastosować następującą regułę:

Pomiar impedancji pętli zwarcia poszczególnych faz dokonujemy na

zaciskach dołączonego do przemiennika silnika przy odpowiednio zwartych ze
sobą zaciskach wejściowych i wyjściowych przemiennika: L1-U, L2-V, L3-W.

Nie budzi tutaj wątpliwości zasada wyznaczania impedancji pętli zwarcia na

zaciskach zasilania przemiennika częstotliwości, dla potencjalnego zwarcia w punkcie
A i B, rys. 6.1. Dobranie wkładki topikowej na podstawie tego pomiaru gwarantuje
także odpowiednio niskie napięcie dotykowe U

jeśli dojdzie do zwarcia doziemnego

w punkcie C, tj. na zaciskach miejscowo uziemionego silnika.

Dla zapewnienia stałej, niezależnej od otoczenia, wartości impedancji pętli

zwarcia o odpowiednio malej wartości, silnik z przemiennikiem łączy się przewodem
ochronnym.

-112-

Gdy nie ma uziemienia silnika w miejscu jego zainstalowania, wtedy

podstawową rolę odgrywa wartość impedancji przewodu ochronnego na odcinku
pomiędzy miejscem uziemienia instalacji zasilania a silnikiem. Zbyt mały przekrój
przewodu ochronnego może spowodować przekroczenie wartości bezpiecznej napięcia
dotykowego U

. Zalecenie zwiększenia o rząd większego przekroju żyły ochronnej PE,

niż to wynika z normy PN-IEC60364 przypadkach, nawet gdy są długie kable
silnikowe i silnik nie jest miejscowo dołączony do uziemienia nie wydaje się być
uzasadnione.

Uziemienie występujące bezpośrednio w miejscu instalacji przemiennika

częstotliwości

jest

bardzo

korzystne

zarówno

pod

względem

ochrony

przeciwporażeniowej jak i tłumienia zakłóceń radioelektrycznych. Niestety taka
sytuacja w napędach z przemiennikami częstotliwości małych i średnich mocy
występuje rzadko, uziom w punkcie B wg rys. 6.5. Lokalizacja przemienników w
rozdzielni elektrycznej wydaje się być najkorzystniejsza, zarówno ze względu na
dostęp do instalacji uziemienia jak i ograniczenie dostępu do przemienników przez
osoby bez odpowiednich kwalifikacji elektrycznych.

napi

ciowy przemiennik

stotliwo

zasilanie

3x400V/50Hz

SILNIK AC

AC/DC

DC/AC

kabel silnikowy

Rys.6.5. Uziemianie ochronne nap

du z napi

ciowym przemiennikiem cz

stotliwo

ci w sieci

TN-S.

Dla zapewnienia odpowiednio krótkiego czasu zadziałania bezpiecznika zaleca

się stosowanie bezpieczników szybkach typu gR, na zasilaniu przemiennika. Przy
wewnętrznym zwarciu doziemnym przemiennika, w punkcie B wg rys. 6.1, następuje
przepływ prądu zwarciowego jednocześnie z dwóch źródeł: prostownika i baterii
kondensatorów – prąd DC. Następuje gwałtowne rozładowywanie baterii
kondensatorów. To powoduje przepływ prądu jej doładowania o zwiększonej
amplitudzie z prostownika, a w konsekwencji odpowiednio szybkie przepalenie
bezpiecznika BM. Ograniczenie prądu zwarciowego poprzez zastosowanie
bezpiecznika szybkiego do wartości ok. 5-6I

przemiennika może znacznie ograniczyć

termiczne skutki zwarcia i wpłynąć na zmniejszenie kosztów naprawy.

Cyfrowe przełączanie napięcia wyjściowego przemiennika z częstotliwością

kilku kiloherców powoduje powstawanie pojemnościowych prądów upływu. Głównie
prądy upływu pomiędzy przewodami fazowymi zasilania silnika a przewodem
ochronnym

uniemożliwiają

stosowanie

przeciwporażeniowych

wyłączników

ochronnych. W przypadku stosowania kabla silnikowego ekranowego lub zbrojonego
dla ograniczenia emisji zaburzeń EM, następuje zwiększony przepływ prądu upływu
do uziemionego ekranu lub zbrojenia kabla. Ekran kabla silnikowego należy

-113-

jednostronnie dołączyć do uziomu przy przemienniku częstotliwości. Takie połączenie
z uziomem powoduje ograniczenie rozprzestrzeniania się zaburzeń od prądu upływu o
wyższych częstotliwościach, w szczególności o częstotliwościach radiowych, rys. 6.6.

napi

ciowy przemiennik

stotliwo

zasilanie

3x400V/50Hz

SILNIK AC

AC/DC

DC/AC

kabel silnikowy

PE1

Rys.6.6. Obwód

przepływu

zaburze

wysokocz

stotliwo

ciowych

przy

jednostronnym

doł

czeniu

ekranu/zbrojenia

kabla

silnikowego

do uziomu przemiennika cz

stotliwo

ci.

Dwustronne uziemienie ekranu kabla silnikowego może spowodować

wzrost zaburzeń radiowych wprowadzanych do otoczenia wskutek przepływu
tych prądów do przemiennika przez bliżej nieokreśloną drogę między
uziomami silnika i sieci zasilania lub przemiennika, rys. 6.5. Szczególnie przy
długich kablach silnikowych, gdzie impedancja wysokoczęstotliwościowa
ekranu

relatywnie

dużą

wartość.

Zachowanie

się

wysokoczęstotliwościowego prądu upływu ma charakter przepływu zbliżony
do prądów błądzących. Jego wartość oraz wprowadzane do okolicznych
urządzeń zaburzenia mocno zależą od warunków otoczenia. Bywa, że
instalacja pracuje prawidłowo, a w innym razem następują zjawiska
powodujące zadziałanie wyłączników różnicowo prądowych innych
okolicznych urządzeń bez wyraźnego powodu. Takie zdarzenia świadczą o
konieczności prześledzenia uziemień ekranów kabli silnikowych, silników i
przemienników napięciowych.

Przy uziemieniu silnika jedynie poprzez uziom przy przemienniku

dwustronne dołączenie ekranu kabla silnikowego jest korzystne i powoduje
duże zmniejszenie emisji zaburzeń radiowych do otoczenia, efekt klatki
Faraday’a, rys. 6.7.

-114-

Rys.6.7. Obwód przepływu zaburze

wysokocz

stotliwo

ciowych przy dwustronnym doł

czeniu

ekranu lub zbrojenia kabla silnikowego do uziomu przemiennika cz

stotliwo

ci i silnika.

Należy zauważyć, że prąd upływu występujący w ekranie/zbrojeniu kabli

silnikowych nie będzie przepływać przez uziom transformatora zasilania jeśli
przemiennik napięciowy będzie miał własny uziom. Przez uziom transformatora będzie
przepływać prąd upływu wejściowych filtrów radioelektrycznych przemiennika.

Aby ograniczyć prąd upływu doziemnego pochodzący od kabli silnikowych i

silnika

należy

rozważyć

możliwość

zastosowania

dławików

wyjściowych

przemiennika ograniczających stromość narastania prostokątnego (cyfrowego) napięcia
w kablu i na zaciskach silnika. Można także zastosować wyjściowe filtry LC, które
zapewniają praktycznie sinusoidalne napięcie zasilania silnika. Stosowanie dławików
wyjściowych lub filtrów LC wiąże się jednak z innymi niepożądanymi skutkami:
znacznym poziomem szumu akustycznego w miejscu ich instalacji oraz zmniejszeniem
dynamiki pracy silnika.

Można przyjąć regułę, że w napędach o krótkich kablach silnikowych należy

dwustronnie łączyć ekran/zbrojenie kabla silnikowego, odpowiednio do uziomu silnika
i przemiennika. Przy dłuższych długościach kabli silnikowych należy rozważyć
możliwość jednostronnego podłączenia ekranu/zbrojenia kabla silnikowego tylko do
uziomu przemiennika.

Pomiar impedancji pętli zwarcia na zaciskach silnika ma podstawowe znaczenie

dla doboru maksymalnej wartości i rodzaju wkładki bezpiecznikowej. Zapewnienie
odpowiedniego napięcia dotykowego (24Vac – silnik w przestrzeni otwartej,
zawilgoconej lub 50Vac – silnik w przestrzeni zamkniętej, zadaszonej i suchej) przy
zwarciu doziemnym musi być tu bezwzględnie przestrzegane.

W normalnych warunkach pracy przemiennik częstotliwości sam ogranicza

wartość prądu zwarcia doziemnego, co nie spowoduje wystąpienia zjawisk
niebezpiecznych dla człowieka. Przy pełno zwarciowym prądzie doziemnym następuję
bardzo szybkie, w czasie mniejszym od 0.1s, zablokowanie półprzewodnikowych
zaworów falownika, tj. wyjściowego obwodu mocy przemiennika. Uniemożliwia to
dalszy przepływ prądu zwarciowego. Brak szybkiego ustąpienia zwarcia spowoduje
zatrzymanie pracy przemiennika i tym samym silnik nie będzie zasilany [7].

Przy niepełnym zwarciu doziemnym przemiennik częstotliwości ogranicza

jednakowo prąd wyjściowy wszystkich faz do wartości skutecznej poniżej wartości
nominalnej prądu silnika. Wielkość tego ograniczenia jest tym większa im mniejsza

-115-

jest impedancja pomiędzy doziemionym przewodem fazowym, a przewodem
ochronnym.

Przemiennik zachowuje się tak jak źródło zasilania o dużej impedancji

wewnętrznej uniemożliwiającej przepływ prądu zwarciowego o wartości większej niż
2I

. Ograniczenie to wynika głównie z wartości prądów maksymalnych zastosowanych

półprzewodnikowych zaworów mocy falownika (np. tranzystorów IGBT) oraz
zastosowanej szybkiej wkładki bezpiecznikowej na zasilaniu przemiennika.

W awaryjnym stanie pracy przemiennika napięciowego może nie nastąpić

zablokowanie półprzewodnikowych zaworów falownika. W takiej sytuacji przy
zaistnieniu zwarcia w punkcie C, rys. 6.1, będzie płynął prąd doziemny, stały lub
pulsujący modulowany jednopołówkowo. Jeśli uszkodzenie przemiennika nie będzie
krytyczne to nie nastąpi przepływ prądu zwarciowego o wartości powodującej
przepalenie się bezpieczników zainstalowanych na zasilaniu przemiennika.
Przepływający prąd doziemny nie może też spowodować wzrostu napięcia
dotykowego do wartości niebezpiecznej, a maksymalna jego wartość ulega szybko
obniżeniu od wartości wyznaczonej z równania:

ZW Max

=1/2x1000V : Z

ZW PR

[6.2]

ZW Max

– Maksymalny prąd zwarcia, wynikający z maksymalnego napięcia

baterii kondensatorów obwodu DC przemiennika (ok. 1000V dla sieci 3x380-500V).
Napięcie to może osiągnąć wartość 1000V tylko w czasie hamowania silnika, gdy silnik
pracując generatorowo przekształca energię hamowania na energię elektryczną i jest
ona gromadzona w baterii kondensatorów przemiennika.

ZW PR

– Impedancja zwarciowa pomiędzy dodatnim lub ujemnym zaciskiem

baterii kondensatorów przemiennika, poprzez miejsce zwarcia doziemnego, np.
uziemiona obudowa silnika, nie powodująca przepływu prądu zwarciowego o wartości
powodującej zadziałanie bezpieczników na zasilaniu przemiennika tj. o wartości I

6.4. SYMULOWANIE NA STANOWISKU LABORATORYJNYM

AWARYJNYCH

STANÓW

PRACY

PRZEMIENNIKA

NAPIECIOWEGO W UKŁADZIE NAPĘDOWYM.

Poniżej przedstawiano:
1. Schemat elektryczny do symulowania awaryjnych stanów pracy

przemiennika napięciowego w układzie napędowym, rys. 6.8.

2. Widok pełnego stanowiska do symulacji zwarć w zewnętrznej instalacji

elektrycznej układu napędowego z napięciowym przemiennikiem częstotliwości i
podstawową aparaturą badawczą, rys 6.9

3. Przykładowe zapisy wyników symulacji, w programie komputerowym

SMPLORER, przebiegu napięcia między przewodem ochronnym, a szeregowo
połączonymi kondensatorami. Napięcie VM3 jest przebiegiem trójkątnym o
częstotliwości 3f

(150Hz), rys. 6.10 i rys. 6.11.

-116-

Rys.6.8. Symulowanie stanów awaryjnych pracy przemiennika napi

ciowego w układzie

nap

dowym.

Rys.6.9. Wygl

d stanowiska laboratoryjnego bada

zwar

w zewn

trznej instalacji elektrycznej

napi

ciowego przemiennika cz

stotliwo

ci.

-117-

ET1

Sine1

Polaczenia dla symulacji wplywu prostownika 3f6d w obwodzie
mocy przemiennika czestotliwosci na siec zasilania
Dr inz. Jerzy Szymanski, PR-WT-ZMiUE

Sine1

f := 50

am := 325

ph := 0

EXP1

Is := 1E-12

Ut := 35m

Rr := 100k

Symulacja prostownika 3f6d jako nieliniowego odbiornika energii

3f6d_RLC_020204b.ssh

R := 10

ET2

Sine2

ph := 120

f := 50

am := 325

Sine3

ph := 240

f := 50

am := 325

VM2

U"R2"

VM1

VM3

1000.0

-400.0

-200.0

200.0

400.0

600.0

800.0

100.00m

20.00m

40.00m

60.00m

80.00m

Tue Feb 03 2004 09:35

L := 100u

ET3

Sine3

L := 1m

VM1

Zmiany obciazenia: 50%, 100%, 200%, co znaczy 40 om, 20 om, 10 om.
Moc obciazenia wynosi odpowiednio (P=Udc x Idc) 12,5kW, 25kW i 50kW.
Podobnie postapic dla zmian L4, L5 = 0.5mH, 1mH lub 1.5 mH.

Wykres A:
Przebieg pradu i napiecia AC fazy L1
oraz napicia VM3.

VM3

R := 1k

Zmiany obciazenia R2 i wartosci indukcyjnosci L4 i L5
nie maja istotnego wplywu na przebieg napiecia VM3.

Rys.6.10. Symulacja prostownika 3F6D – wyznaczenie napi

cia na VM3, tj. mi

dzy PE i połow

napi

cia baterii kondensatorów obwodu po

redniego przemiennika napi

ciowgo.

-118-

U"R2"

VM3

U"R1"

1000.0

-200.0

200.0

400.0

600.0

800.0

100.00m

20.00m

40.00m

60.00m

80.00m

ET1

Sine1

Polaczenia dla symulacji wplywu prostownika 3f6d w obwodzie
mocy przemiennika czestotliwosci na siec zasilania
Dr inz. Jerzy Szymanski, PR-WT-ZMiUE

Sine1

f := 50

am := 325

ph := 0

EXP1

Is := 1E-12

Ut := 35m

Rr := 100k

Symulacja prostownika 3f6d jako nieliniowego odbiornika energii

3f6d_RLC_020204d.ssh

Wlasnosci symulacji:
Max. szerokosc kroku1m
Min. szerokosc kroku10u
Czas konca symulacji100m

R := 20

ET2

Sine2

ph := 120

f := 50

am := 325

Sine3

ph := 240

f := 50

am := 325

VM2

VM1

VM3

U"R1"

VM4

500.0

-500.0

-400.0

-200.0

200.0

400.0

100.00m

20.00m

40.00m

60.00m

80.00m

Tue Feb 03 2004 10:22

L := 100u

ET3

Sine3

L := 1m

VM1

Zmiany obciazenia: 50%, 100%, 200%, co znaczy 40 om, 20 om, 10 om.
Podobnie postapic dla zmian L4, L5 = 0.5mH, 1mH lub 1.5 mH.

Wykres A:
Przebieg napiecia AC fazy L1
oraz napic VM2 oraz VM3 i VM4.

Wykres B:
Przebiegi
napiecia UR1, UR2
oraz napiecia VM3.
L4 i L5 oraz R2, nie maja
wplywu na ograniczenie
napiecia VM3.

VM3

R := 1k

VM4

Rys.6.11. Symulacja prostownika 3F6D – interpretacja powstawania napi

cia pomi

dzy

potencjałem uziomu (potencjał przewodu PE), a napi

ciem punktu neutralnego silnika

zasilanego z przemiennika.

-119-

6.5. PRZEBIEG BADAŃ SYMULACJNYCH

Z uwagi na ograniczoną ilość elementów, ze względu na fakt, że

dostępna wersja oprogramowania jest wersją demo, tab. 6.1, nie możliwa była
symulacja pełnego układu przemiennika. Układ został ograniczony do następujących
elementów:
Sieć zasilająca,
Prostownik 3f 6D,
Układ pośredni DC,
Odbiornik R.

Tab.6.1. Maksymalna liczba elementów i funkcji dost

pnych w ró

nych wersjach

oprogramowania Simplorer 4.2 [17].

Posługując się oknem dialogowym, i korzystając z elementów umieszczonych

w bibliotece programu, stworzyłem, w edytorze graficznym, schemat układu, który
poddałem badaniom. Wyniki badań symulacyjnych współpracy prostownika 3f6d dla
różnych obciążeń i parametrów sieci zasilania przedstawiono na rys. 6.12 i rys. 6.13.

Dostępna jest obecnie wersja SIMPLORER SV 7.0 i zapewnia ona znacznie

szersze możliwości badań symulacyjnych niż stosowana w pierwszej fazie badań
wersja SIMPLORER 4.2 EDU. W zakładzie dostępna jest 1 licencja pełnej wersji
programu SIMPLORER 4.2.

-120-

I"L1"

80.00

-80.00

-60.00

-40.00

-20.00

20.00

40.00

60.00

100.00m

20.00m

40.00m

60.00m

80.00m

ET1

Sine1

Polaczenia dla symulacji wplywu prostownika 3f6d w obwodzie
mocy przemiennika czestotliwosci na siec zasilania
Dr inz. Jerzy Szymanski, PR-WT-ZMiUE

Sine1

f := 50

am := 325

ph := 0

EXP1

Is := 1E-12

Ut := 35m

Rr := 100k

Symulacja prostownika 3f6d jako nieliniowego odbiornika energii

3f6d_RLC_020204.ssh

Wlasnosci symulacji:
Max. szerokosc kroku1m
Min. szerokosc kroku10u
Czas konca symulacji100m

0.5m

R := 20

ET2

Sine2

ph := 120

f := 50

am := 325

Sine3

ph := 240

f := 50

am := 325

VM2

U"R2"

VM1

I"L1"

1000.0

-400.0

-200.0

200.0

400.0

600.0

800.0

100.00m

20.00m

40.00m

60.00m

80.00m

Tue Feb 03 2004 09:58

L := 100u

ET3

Sine3

L := 100u

VM1

Zmiany obciazenia: 50%, 100%, 200%, co znaczy 40 om, 20 om, 10 om.
Podobnie postapic dla zmian L4, L5 = 50uH, 100uH lub 200 uH.

Wykres A:
Przebieg pradu i napiecia AC fazy L1
oraz napicia DC na C1.

Wykres B:
Wyodrebniony przebieg
nieliniowego pradu fazy L1
przy braku indukcyjnosci AC
lub DC prostownika.
L=100uF, nie ma istotnego
wplywu na przebieg pradu zasilania.

Rys.6.12. Symulacja oddziaływania na sie

zasilania prostownika 3F6D jako nieliniowego

odbiornika energii z pomijalnie mał

warto

Lac i Ldc.

-121-

I"L1"

I"L2"

50.0

-250.0

-200.0

-150.0

-100.0

-50.0

100.00m

20.00m

40.00m

60.00m

80.00m

ET1

Sine1

Polaczenia dla symulacji wplywu prostownika 3f6d w obwodzie
mocy przemiennika czestotliwosci na siec zasilania
Dr inz. Jerzy Szymanski, PR-WT-ZMiUE

Sine1

f := 50

am := 325

ph := 0

EXP1

Is := 1E-12

Ut := 35m

Rr := 100k

Symulacja prostownika 3f6d jako nieliniowego odbiornika energii

3f6d_RLC_020204a.ssh

Wlasnosci symulacji:
Max. szerokosc kroku1m
Min. szerokosc kroku10u
Czas konca symulacji100m

R := 20

ET2

Sine2

ph := 120

f := 50

am := 325

Sine3

ph := 240

f := 50

am := 325

VM2

VM1

I"L1"

400.0

-400.0

-300.0

-200.0

-100.0

100.0

200.0

300.0

100.00m

20.00m

40.00m

60.00m

80.00m

Tue Feb 03 2004 09:50

L := 100u

ET3

Sine3

L := 1m

VM1

Zmiany obciazenia: 50%, 100%, 200%, co znaczy 40 om, 20om, 10 om.
Podobnie postapic dla zmian L4, L5 = 0.5mH, 1mH lub 1.5 mH.

Wykres A:
Przebieg napiecia AC fazy L1
oraz napicia DC na C1.

Wykres B:
Wyodrebniony przebieg
nieliniowego pradu fazy L1 i L2
przy wystepowaniu
indukcyjnosci AC
lub DC prostownika.
L=1mF, ma istotny wplyw
na ograniczenie harmonicznych
w pradzie zasilania.

VM3

R := 1k

Rys.6.13. Symulacja oddziaływania na sie

zasilania prostownika 3F6D jako nieliniowego

odbiornika energii ze znacz

warto

Lac i Ldc

-122-

6.6. WNIOSKI Z SYMULACJI PRACY PROSTOWNIKA 3F6D

JAKO

OBWODU

WEJŚCIOWEGO

PRZEMIENNIKA

NAPIĘCIOWEGO

•

indukcyjność sieci zasilania korzystnie wpływa na ograniczenie mocy
odkształconej,

•

ważne jest sztuczne powiększanie indukcyjności wejściowej przemiennika
napięciowego z jednoczesnym uwzględnieniem faktu, że następuje zwiększenie
niekorzystnego udziału mocy biernej w sieci zasilania,

•

analiza pracy przekształtników energoelektronicznych przy użyciu programu
symulacyjnego SIMPLORER pozwala na relatywnie szybkie uzyskania
wyników opisujących jakościowo analizowane zjawiska

•

niezbędna jest weryfikacja eksperymentalna otrzymanych na drodze
symulacyjnej wyników, głównie dla weryfikacji poprawności przyjętych
założeń i danych.

6.7. LITERATURA DO ROZDZIAŁU

[ 1]. E. Mitew, J. Szymański: Napięciowy przemiennik częstotliwości o ulepszonej współpracy z silnikiem.
IV krajowa Konferencja Naukowa – SENE – Łódź 1999
[ 2]. R. Pastuszka, M Trajdos: Jakie kable lubią falowniki? Materiały techniczne – HELUKABEL 2003 –

www.helukabel.pl

[ 3]. A. Białas, Bezpieczniki i wyłączniki nadprądowe. F. Legrand Fael - Opracowanie wewnętrzne,
opublikowane w miesięczniku Elektrosystemy, 2002.
[ 4] S. Hansen i inni: Line Side Harmonic Reduction Techniques of PWM Adjustable Speed Drives, Danfoss
Drives A/S - 2002 E-mail:

s_hansen@danfoss.com

[ 5] PN-IEC 60364-x-xx Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.
(Wyszukiwanie norm:

http://www.pkn.com.pl

)

[ 7] J. Szymański: Badania skuteczności zabezpieczeń obwodów mocy przemysłowych przetwornic
częstotliwości. Przegląd Elektrotechniczny 2/2000.
[ 8] A. Michalski, F. Szczucki i inni, Ochrona przeciwporażeniowa przed dotykiem pośrednim w układach
energoelektronicznych, Śląskie Wiadomości Elektryczne.

7. BEZPIECZEŃSTWO

UśYTKOWANIA

INSTALACJI

PRZEMYSŁOWYCH Z NAPIĘCIOWYMI PRZEMIENNIKAMI
CZĘSTOTLIWOŚCI W SIECIACH TN - S

Ochrona przeciwporażeniowa to techniczne i organizacyjne środki

zapewnienia bezpieczeństwa użytkownika. Zapobieganie występowaniu zwarć do
obudów przemienników częstotliwości i połączonych z nimi maszyn roboczych ma
podstawowe

znaczenie

dla

bezpiecznej

eksploatacji.

Stosowanie

reguł

instalacyjnych właściwych dla tego rodzaju przekształtników prowadzi do
zapobiegania zagrożeniom. Przede wszystkim należy stosować się do zaleceń i
wymagań zawartych w dokumentacji technicznej urządzenia DTR, które obecnie
musi mieć znak CE.

-123-

7.1. NAPIĘCIOWY

PRZEMIENNIK

CZĘSTOTLIWOŚCI

I SIEĆ TN-S

Napięciowe przemienniki częstotliwości są obecnie powszechnie stosowane w

napędach z regulowaną prędkością obrotową trójfazowych silników indukcyjnych.
Głównie są to silniki klatkowe. Obszar zastosowań przemienników napięciowych
gwałtownie się powiększa. Coraz częściej pojawiają się aplikacje przemysłowe z
bezszczotkowymi silnikami prądu stałego z magnesami stałymi, które zasila się
przemiennikami napięciowymi [1]. Obserwujemy szybko rosnącą sprzedaż tych
urządzeń, przy jednoczesnym coraz większym zaawansowaniu technologicznym.
Rozbudowywane są ich funkcje komunikacyjne, zabezpieczeń i sterowania.
Postępująca

miniaturyzacja

elektronicznych

układów

sterowania

umożliwia

praktycznie dowolne kształtowanie cech użytkowych tych przekształtników. Często
przejmują one rolę zewnętrznych sterowników PLC. Obwód mocy też podlega
ciągłym modyfikacjom. Głównie ze względu na rozwój technologii wytwarzania
falowników z tranzystorami IGBT. W aplikacjach z niskonapięciowymi
przemiennikami częstotliwości sterowane silniki osiągają już moce rzędu 1,5MW.
Przemienniki stosowane są powszechnie zarówno w sieciach zasilania typu TN–S, jak i
sieciach IT. W sieciach IT ochrona przeciwporażeniowa jest realizowana inaczej niż w
sieciach TN-S. Zagrożenia eksploatacyjne występujące w sieciach IT są często inne niż
w sieciach TN-S, dlatego nie można bezkrytycznie stosować tam zasad właściwych dla
sieci TN-S. W niniejszej publikacji odnoszę się do zagadnień ochrony
przeciwporażeniowej w napędowych instalacjach przemysłowych z napięciowymi
przemiennikami częstotliwości zasilanych sieciami niskonapięciowymi typu TN-S.

7.2. BEZPIECZNA INSTALACJA ELEKTRYCZNA

Zagadnienia

bezpieczeństwa

użytkowania

przemiennika

ochrony

przeciwporażeniowej można podzielić na trzy grupy: dotyczące producenta
napięciowego przemiennika częstotliwości, projektanta instalacji napędowej z
napięciowym przemiennikem częstotliwości i użytkownika tej instalacji.

Warunki techniczne jakie należy spełnić przy budowie przemiennika częstotliwości

i zewnętrznej instalacji zasilania w zakresie ochrony przed porażeniem określone są
normą obowiązkowego stosowania PN-IEC 60364. Jest to bardzo obszerny dokument i
dotyczy wielu zagadnień skoordynowanego postępowania dla zapewnienia
bezpiecznego użytkowania urządzeń elektrycznych. Zagadnienia ochrony od porażeń
omawia jego część PN-IEC 60364.4.41, pt.: „Instalacje elektryczne w obiektach
budowlanych.

Ochrona

dla

zapewnienia

bezpieczeństwa.

Ochrona

przeciwporażeniowa”. Inne części tej normy omawiają ochronę dla zapewnienia
bezpieczeństwa

przed

skutkami

oddziaływania

cieplnego,

przed

prądem

przetężenowym, obniżeniem napięcia i przepięciami. W 2003 roku opublikowano
normę EN 50178 pt.: Urządzenia elektroniczne do stosowania w instalacjach dużej
mocy”. Napięciowe przemienniki częstotliwości należy traktować jako elektroniczne
odbiorniki energii elektrycznej do stosowania w instalacjach dużej mocy, rys. 7.1.

-124-

Cechy

charakterystyczne

istotnie

wyróżniające

napięciowe

przemienniki

częstotliwości od innych typowych odbiorników energii, takich jak silniki indukcyjne
zasilane bezpośrednio z sieci, i wpływających na zapewnienie bezpieczeństwa to:

- duży ładunek elektryczny zmagazynowany w baterii kondensatorów obwodu

pośredniego proporcjonalny do mocy nominalnej przemiennika,

- podatność na uszkodzenia elementów elektronicznych i energoelektronicznych

przemiennika przy pracy w niewłaściwych warunkach zasilania i chłodzenia,

- duże odległości między przemiennikiem częstotliwości i sterowanym silnikiem,

osiągające kilkusetmetrowe długości.

Rys.7.1. Schemat blokowy układu mocy napi

ciowego przemiennika z silnikiem. A, B – miejsca

zwar

doziemnych w zewn

trznej instalacji zasilania – układ sieci typu TN-S.

Napięciowy przemiennik częstotliwości powoduje, często trudne do usunięcia

zaburzenia w sieci zasilania i otoczeniu. Mogą one zakłócić właściwą pracę
znajdujących się w pobliżu innych urządzeń elektronicznych. Podwójna przemiana
energii

trójczłonowym

obwodzie

mocy

przemiennika:

AC/AC=AC/DC+DC/DC+DC/AC, powoduje, że ma on inne własności na wejściach i
wyjściach mocy.

7.3. CYFROWE PRZETWARZANIE MOCY A ZAPEWNIENIE

BEZPIECZEŃSTWA

Wejścia mocy przemiennika napięciowego dołączone są do sieci zasilania, a

pojemnościowe obciążenie wejściowego prostownika diodowego 3f6d powoduje, że
pobierany z sieci prąd ma charakter impulsowy. Dopasowane do mocy nominalnej
zasilanego silnika, przemysłowe przemienniki napięciowe powodują najmniejsze
odkształcenia prądu zasilania. Przy nominalnym obciążeniu silnika odkształcenie prądu
sieci określone współczynnikiem harmonicznych THDi, wynosi zwykle ok. 40%. Jeśli
dobiera się przemiennik aby dopuszczalne było krótkotrwałe jego przeciążenie
momentem ok. 150%M

, to w warunkach nominalnego obciążenia przemiennika THDi

wynosi zwykle ok.120%. Przemiennikowe napędy pompowo-wentylacyjne najczęściej
pracują przy silnym niedociążeniu, dlatego w tym przypadku THDi prądu zasilania
także wynosi 120%.[2,3]. Ze względu na niesinusoidalny prąd wejściowy
przemiennika klasyfikujemy go jako nieliniowy odbiornik energii, rys. 7.2.

SILNIK AC

Stopie

redni

Prostownik

3x400V

RFI

-125-

Rys.7.2. Przebiegi napi

ęć

i pr

dów w NPC:A. Napi

cie i pr

d fazowy zasilania NPC, B. Napi

cie

i pr

d fazowy silnika zasilanego z NPC.

Często stosowane wyłączniki nadprądowe jako środki ochrony dodatkowej nie

powinny być tutaj wykorzystane. Bezzwłoczne zadziałanie wyłącznika nadprądowego
powoduje amplituda impulsu prądowego. Dla wyłącznika klasy B jego zadziałanie
nastąpi przy prądzie (3-5)I

. Zalecane do stosowania wkładki bezpiecznikowe typu gR

są tak dobierane, aby ich zadziałanie, po dopuszczalnym czasie t

(np. 0.4s), nastąpiło

przy przepływie prądu ok. 2I

. Zbyt duży prąd powodujący przepalenie wkładki

bezpiecznikowej może spowodować znaczne uszkodzenia wewnątrz przemiennika i
jego zapalenie. Pomiar impedancji pętli zwarcia na zasilaniu przemiennika
częstotliwości określa zdolność zadziałania wkładki bezpiecznikowej jako środka
dodatkowej ochrony przeciwporażeniowej, ale nawet odpowiednio mała jej wartość nie
usprawiedliwia stosowania wkładek zwłocznych.

Wyjścia mocy przemiennika częstotliwości to wyjścia trójfazowego falownika

dołączone zwykle bezpośrednio do silnika. Wyjściowe napięcie fazowe ma tutaj kształt
przebiegu impulsowego. Częstotliwość impulsów tego napięcia zależy od
częstotliwości przełączania tranzystorów IGBT falownika i osiąga w przemysłowych
przemiennikach napędowych wartości do 5kHz. Zmieniające się widmo wyższych
harmonicznych w wyjściowym napięciu fazowym, wraz ze zwiększaniem się
częstotliwości harmonicznej podstawowej, nie powoduje istotnych zmian wartości
prądów upływu pojemnościowego między przewodami fazowymi silnika a
uziemionymi elementami instalacji. Dla zwiększenia sprawności silnika nowoczesne
przemienniki napięciowe mogą mieć uaktywnione funkcje uzależniające wartość
napięcia zasilania silnika od jego chwilowego obciążenia. W takich przypadkach
widmo fazowego napięcia wyjściowego zależy też od obciążenia silnika, nie wpływa
to jednak znacząco na prądy upływu. Wartość prądów upływu mocno zależy od
wartości napięcia zasilania przemiennika i częstotliwości przełączania tranzystorów
IGBT falownika.

Dla ograniczenia zewnętrznej emisji zaburzeń EM stosuje się

ekranowane kable silnikowe, czasem zamiast kabli ekranowanych filtry wyjściowe LC.
Przewód ochronny PE jest umieszczony wewnątrz ekranu kabla i zwykle ekran jest
dwustronnie uziemiony razem z przewodem PE. Napięciowe przemienniki
częstotliwości i silniki są urządzeniami w obudowach spełniających wymagania I klasy

napi

cie

napi

cie

-126-

ochronności. Przy wystąpieniu niepełnego doziemienia napięcia zasilania silnika do
ekranu kabla silnikowego lub obudowy silnika może nie nastąpić wyłączenie zasilania.
Zwykle wyłączenie napięcia jest uzależnione od wartości prądu doziemnego i są to
wartości wielokrotnie większe od prądu 30mA. Układ zabezpieczenia doziemnego
napięciowego przemiennika częstotliwości pełni rolę zabezpieczenia przemiennika
przed uszkodzeniem i przeciwpożarowego, a nie przeciwporażeniowego [4]. Należy
pamiętać, że przy elektronicznym wyłączeniu przemiennego napięcia zasilania silnika
przez przemiennik częstotliwości nie ma przerwy galwanicznej pomiędzy siecią
zasilania przemiennika a silnikiem. W tym torze występuje duża rezystancyjna
zablokowanych zaworów falownika.

Pełne doziemienie do obudowy silnika, które nie zostanie wyłączone przez

przemiennik, spowoduje uszkodzenie falownika lub zadziałanie wkładki
bezpiecznikowej już przy przepływie prądu rzędu 2I

. Jeśli dochodzi do rozerwania

falownika to powstaje widoczna przerwa galwaniczna pomiędzy uszkodzonym
przemiennikiem i silnikiem (rys.7.3).

Rys.7.3. Rozerwany wskutek zwarcia falownik z modułem sterownika - 3x500A/1200V (SEMiX

703GD126HDc)

7.4. ZWARCIE DOZIEMNE SILNIKA – PĘTLA ZWARCIA

Pęta zwarcia przebiega tutaj przez szybki bezpiecznik, przewodzącą diodę

prostowniczą, przewodzący tranzystor IGBT, przewód ochronny i uziemiony punkt
transformatora zasilania przemiennika. W pętli zwarcia występują trzy szeregowo
połączone półprzewodnikowe elementy mocy. Wszystkie te elementy ulegają
rozwarciu przy przepaleniu prądami zwarciowymi o wartości ok. 2I

(rys. 7.4).

Jeśli silniki są dodatkowo uziemione w miejscu ich posadowienia, takie

uziemienie można traktować jak połączenie wyrównawcze, zapobiegające wystąpieniu
napięcia dotykowego większego niż długotrwale bezpieczne.

Niekiedy w instalacji stosuje się styczniki, umieszczone na zasilaniu przez

bezpiecznikami, a także na wyjściach mocy przemiennika. Umożliwiają one
zapewnienie galwanicznej przerwy między siecią zasilania i silnikiem np. dla
przeprowadzenia czynności naprawczych lub konserwacyjnych przemiennika.
Styczniki te należy dobierać dla warunków pracy w klasie AC1.

-127-

Stosowanie

przeciwporażeniowych

wyłączników

różnicowoprądowych

praktycznie uniemożliwia poprawną pracę instalacji. Pojemnościowe prądy upływu w
takich instalacjach typowo mają wartości ok.100mA, a w instalacjach z silnikami
ś

rednich mocy mogą znacznie przekraczać wartości 500mA. Prądy te zależą głównie

od rodzaju, długości i przekrojów kabli silnikowych, metody formowania wyjściowego
napięcia fazowego przemiennika. Napięcie to jest charakteryzowane: rodzajem
modulacji MSI, częstotliwością przełączania zaworów falownika f

, stromością

narastania impulsów napięciowych du/dt, jak również przepięciami powstającymi od
impulsów napięciowych.

2 x Ld

TN-S

L1,L2L,3

Napi

ciowy Przemiennik Cz

stotliwo

ść

i - MSI

Silnik

Rys.7.4. Przebieg

tli

zwarcia

przy

doziemnego

obudowy

silnika

instalacji

z napi

ciowym przemiennikiem cz

stotliwo

ci.

7.5. INSTALACJA ELEKTRYCZNA ZGODNA Z EMC

Zjawiska zachodzące na wejściach i wyjściach mocy napięciowego

przemiennika częstotliwości należy wziąć pod uwagę projektując instalacje zasilającą
napęd silnika i spełniającą dodatkowo wymagania EMC. Nie można tu przenosić
postępowania typowego dla tradycyjnych liniowych odbiorników energii, dla których
budowa instalacji zasilającej nie powoduje większych trudności [5], rys. 7.5.

-128-

NPC

PLC

PLC itp.

Szafa przemiennika cz

stotliwo

Stycznik wyj

ciowy itp.

Szyna uziomu

Usuni

ta izolacja

kabla

Wszystkie kalbe wchodz

z jednej strony

Min. 10mm
Kabel wyr..pot.

Kable steruj

L1
L2
L3
PE

Min. 10mm

Min. 200mm
mi

dzy kablami steruj

cymi,

kablem silnikowym i kablem zasilania

PE: min.10mm

Silnik

Kabel silnikowy

Rys.7.5. Instalacja elektryczna z przemiennikiem napi

ciowym cz

stotliwo

ci wykonana zgodnie

z zasadami EMC.

7.6. ZNAK CE I OBOWIĄZEK PODANIA DOKŁADNYCH

ZASAD BUDOWY INSTALACJI ELEKTRYCZNEJ W DTR

Obowiązkowa certyfikacja znakiem CE dopuszczonych do obrotu urządzeń

elektrycznych nakłada na producenta obowiązek wykonania urządzenia zgodnie z
zasadami zapewniającymi użytkownikowi bezpieczeństwo eksploatacyjne, w tym
także zapewnienie właściwej ochrony przeciwporażeniowej. Zadeklarowane tym
znakiem jest spełnienie wymagań dyrektywy niskonapięciowej LVD dla urządzeń
zasilanych napięciami przemiennymi z drugiego zakresu napięć niskich, tj napięciami
fazowymi z przedziału: 50V

∠

600V. Spełnienie dyrektywy niskonapięciowej

LVD obejmuje wszystkie rodzaje ryzyka wynikające z użytkowania przemiennika
częstotliwości, a więc także cieplne, mechaniczne i chemiczne. Na producencie ciąży
także wykonanie i dostarczenie przy wyrobie dokumentacji technicznej
precyzyjnie określającej warunki dołączenia przekształtnika do sieci zasilania i
silnika. DTR określa wartości i rodzaje zabezpieczeń odwodów wejściowych
przemiennika, przekroje rodzaje i długości kabli silnikowych oraz ich sposób
połączenia. Jeśli potrzebne informacje podane są niezrozumiale lub niejednoznacznie,
należy w pierwszej kolejności zwrócić się o nie do producenta (dostawcy)
przemiennika częstotliwości. Niekiedy odstępstwa od DTR mogą prowadzić do
nieprzewidywalnych skutków ze zwiększeniem ryzyka porażeniowego włącznie.
Czasami wewnątrz zakładowe przepisy, stosowane zwyczajowo dla instalacji z
napędowych z silnikami zasilanymi bezpośrednio z sieci, przenosi się na instalacje
napędowe z przemiennikami napięciowymi, np. przewymiarowuje się przekroje
długich kabli silnikowych, co skutkuje głównie niekorzystnym powiększeniem prądów
upływu doziemnego i kosztu instalacji.

Znakowanie

wyrobu

energoelektronicznego

wytwarzanego

przez

renomowanych producentów państw UE daje nam pewność, że zastosowane zostały

-129-

odpowiednie procedury produkcyjne, minimalizujące ryzyko zwarć doziemnych i
innych ryzyk przy powstaniu awarii wewnętrznych przemiennika, dzięki temu nie
musimy zastanawiać się nad procedurami zabezpieczającymi poprawną pracę
urządzenia. Projektant (instalator) ma obowiązek stosować się przy budowie instalacji
zasilania postanowień w tym zakresie zawartych w DTR. Odstępowanie od tych zasad
może nastąpić jedynie w uzgodnieniu z producentem (dostawcą) przemiennika.
Zwykle wewnętrzne układy zasilania obwodów sterownia przemiennika spełniają
wymagania bezpieczeństwa PELV. Przy niewłaściwej instalacji zasilania przemiennika
można nie zachować poziomu bezpieczeństwa PELV tych obwodów.

Użytkownik może bezpiecznie eksploatować instalację z przemysłowymi

przemiennikami napięciowymi jeśli postępuje zgodnie z ogólnie obowiązującymi
zaleceniami przy pracach z urządzeniami elektrycznymi. Nie dopuszczalne jest
dołączanie obwodów mocy przemiennika do sieci zasilania przy otwartej lub usuniętej
obudowie zewnętrznej, tj. osłabieniu lub usunięciu ochrony podstawowej urządzenia.
Stosowane procedury budowy instalacji napędowych wydają się w sposób właściwy
zapewniać ochronę przed porażeniem, gdyż mimo gwałtownego wzrostu ilości
przemienników napięciowych w instalacjach napędowych, wg wiedzy autora, nie
znane są tu przypadki poważnych porażeń odnotowanych jako wypadki przy pracy.

7.7. LITERATURA DO ROZDZIAŁU

[1]. Z. Goryca: Niskonapięciowy wolnoobrotowy napęd z bezszczotkowym silnikiem prądu stałego.
Napędy i Sterowanie, Nr 7/8,2006
[2]. J. Szymański: Harmoniczne prądu wytwarzane przez prostowniki wejściowe przemienników
częstotliwości. Politechnika Radomska, Prace Naukowe Elektryka nr 2(8),2005
[3]. J. Szymański: Ochrona przeciwporażeniowa instalacji napędowych z napięciowymi przemiennikami
częstotliwości zasilanymi z sieci TN-S do 1kV. Komel’2004 – XIII Seminarium Techniczne. Problemy
Eksploatacji Maszyn i Napędów Elektrycznych. 19-21.V.2004, Ustroń.
[4]. J. Szymański: Badania zabezpieczeń obwodów mocy przemysłowych przetwornic częstotliwości.
Przegląd Elektrotechniczny nr 2, 2000

[5]. E. Musiał: Zabezpieczenie silników zasilanych z po

rednich przemienników cz

stotliwo

ci.

Biuletyn SEP INPE, 2004, nr 59-60

8. ZAGROśENIA

BEZPIECZEŃSTWA

INSTALACJACH

NAPĘDOWYCH Z NAPIĘCIOWYMI PRZEMIENNIKAMI
CZĘSTOTLIWOŚCI W SIECIACH IT

W górnictwie powszechnie stosuje się układ sieci zasilającej IT. Coraz

częściej występują też napędy z silnikami asynchronicznymi zasilanymi
napięciowymi przemiennikami częstotliwości. Zwykle są to napędy zastępujące
dotychczas stosowane silniki prądu stałego w napędach jazdy maszyn
wydobywczych, czy silniki pierścieniowe w napędach powierzchniowych
przenośników

taśmowych.

Sieć

zasilająca

stwarza

napięciowym

przemiennikom częstotliwości inne warunki pracy niż sieć TN-S.

-130-

8.1. PRZEMIENNIKI NAPIĘCIOWE ZASILANE SIECIAMI IT

Sieci IT do zasilania układów napędowych są stosowane w Polsce głównie w

górnictwie (rys. 8.1). W sieciach tych prądy zwarć doziemnych nie mają dużych
wartości i możliwa jest praca przy doziemieniu jednej fazy napięcia zasilania - te cechy
zasadniczo odróżniają ten system zasilania od systemu TN. Zasilanie wielosilnikowych
napędów jazdy maszyn górniczych jest związane z dużymi wymaganiami
regulacyjnymi i niezawodnością napięciowych przemienników częstotliwości. Np.
zapewnienie synchronicznej pracy dwóch silników połączonych ze sztywnym wałem
napędowym jednej gąsienicy w koparce czy zwałowarce mającej kilka gąsienic,
wymaga specjalnych funkcji sterowniczych od przemienników. Instalacja ich zasilania
musi być dostosowana do pracy przemienników obciążonych momentem silnikowym
i generatorowym. Pokonanie momentu bezwładności J[Nm] w czasie przyśpieszania
maszyn powoduje konieczność znacznego przewymiarowania przemienników i
silników [Me=Mb+J(dω/dt)]. Waga gąsienicowych maszyn górnictwa odkrywkowego
zwykle przekracza 1000 ton. Jedna z największych koparek górniczych
wyprodukowana przez firmę niemiecką Krupp typu SCHRS4600 pracuje w KWB w
Bełchatowie i ma masę 7200 ton. Jej napęd jazdy jest zbudowany z 8 nieskrętnych i 6
skrętnych gąsienic umocowanych do sztywnej konstrukcji maszyny.

Długie linie kablowe układane na ziemi powodują, że sieć IT - 6kV cechuje się

dużą indukcyjnością. Po obniżeniu tego napięcia do wartości niskich np. 3x500V, z
jednego transformatora zasilane są odbiorniki o mocach rzędu megawatów.

NPC

230V

24V

Rezystancyjne upływy
maszyn podł

czonych

do sieci

AC/DC/AC

Rys.8.1. Sie

IT z układem monitorowania rezystancji izolacji

Moc jednej stacji zasilania z zespołami napędowymi powierzchniowych

przenośników taśmowych z niskonapięciowymi przemiennikami częstotliwości osiąga
wartości do 2MW. Duże moce jednostkowe odbiorników przekształtnikowych mocno
wpływają na odkształcenia napięcia zasilania. Bezpośrednie przyłączanie lub
odłączanie w tej sieci odbiorników silnie indukcyjnych lub pojemnościowych (baterie
kompensacyjne)

także

powoduje

duże

chwilowe

zniekształcenia

napięć

międzyfazowych (rys. 8.2). Zniekształcenia napięcia zasilania mogą powodować
doładowanie baterii kondensatorów obwodu pośredniego przemiennika do
niedozwolonej wartości napięcia stałego. Taki stan może wystąpić wtedy, gdy
przemiennik jest dołączony do sieci zasilania a dołączony do niego silnik jest
zatrzymany. Tj. przy braku obciążenia przemiennika. Przemienniki zasilane z sieci o
dużych chwilowych zniekształceniach napięcia należy wyposażyć w obwody
szybkiego rozładowywania baterii kondensatorów np. przerywacze prądu (chopper)

-131-

obciążone rezystorami odpowiednio małej wartości i mocy, np. 10Ω/400W. Jeśli
przerywacze są dodatkowo wykorzystywane do rozpraszania energii, przesyłanej do
obwodu DC przemiennika w czasie pracy generatorowej silnika, np. przy jeździe z
góry maszyny gąsienicowej to trzeba zastosować rezystory większych mocy.
Rezystory chłodzone powietrzem, pracujące w cyklu T=300s, mogą rozpraszać moc
nominalną przemiennika przez 10%, 20% lub 40% czasu cyklu T. W przemiennikach
bez przerywaczy prądu można zastosować podłączone na stałe rezystory
rozładowywania baterii DC do zacisków napięcia stałego prostownika o mocy ok.
100W. Rezystancja tego rezystora wynika z napięcia zasilania przemiennika.

=1.42U

=1.42x500V=710V, R[Ω]=U

/P=710

/100=5kΩ

W przemiennikach większych mocy stosowane są 6-pulsowe półsterowane

mostki prostowników głównych. Umożliwia to blokowanie prostownika głównego na
czas wstępnego ładowania baterii kondensatorów DC przez niesterowany prostownik
wstępnego

ładowania

(rys. 8.3).

Takie

rozwiązanie

obwodu

wejściowego

przemiennika umożliwia blokowanie dopływu prądu do baterii kondensatorów, po
przekroczeniu dopuszczalnego napięcia baterii w czasie postoju silnika.

Przy uziemieniu filtru RFI (Radio Frequency Interference) obwodu pośredniego

przemiennika, znanego także pod nazwą filtru EMC (Electro Magnetic Compatibility
Filtr) (rys. 8.3), nawet krótkotrwałe doziemienie jednej fazy napięcia zasilania
przemiennika, może spowodować konieczność zablokowania przewodzenia prądu
przez prostownik główny. Np. przez zablokowanie tyrystorów w mostku prostownika
lub zastosowania innych rozwiązań uniemożliwiających narastanie napięcia w baterii
DC przemiennika. Zagadnienia te będą omówione precyzyjniej w dalszej części
artykułu.

1-2

2-3

1-3

- mi

dzyfazowe napi

cia

zasilania NPC

- wej

ciowy pr

d fazowy NPC

Rys.8.2. Chwilowe odkształcenie przebiegów napi

ęć

dzyfazowych i pr

du fazowego

napi

ciowego przemiennika cz

stotliwo

ci, zasilanego z sieci IT, w czasie zał

czenia

kompensatora mocy biernej

Brak ochrony baterii DC przemiennika może doprowadzić do uszkodzenia

obwodów mocy. Powstające w sieci zasilania odkształcenia napięcia często prowadzą
do wystąpienia niedopuszczalnej wartości napięcia na baterii kondensatorów stopnia
pośredniego przemiennika. W napędach maszyn górniczych przemienniki pracują
często w ekstremalnych warunkach środowiskowych, przy dużym zapyleniu pyłem
węglowym, zawilgoceniu, wysokich temperaturach i dużych drganiach maszyn, na

-132-

których umieszczone są kontenerowe stacje zasilania z przemiennikami. Ważnym
zagadnieniem jest tutaj sposób rozwiązania chłodzenia przemienników, gdyż ogrzane
powietrze chłodzenia radiatorów przemienników częstotliwości nie może być
ponownie skierowane do kontenera w którym są zainstalowane.

8.2. NIEUZIEMIONY FILTR RFI STOPNIA POŚREDNIEGO

PRZEMIENNIKA

NIE

OZNACZA

BRAKU

ZAGROśENIA

PORAśENIEM.

Instalacja zasilania napięciowych przemienników częstotliwości w sieciach IT

może występować w dwóch podstawowych konfiguracjach. Z włączonym lub
wyłączonym uziemieniem filtru RFI stopnia pośredniego przemiennika (rys. 3).

Udc

2 x Ld

Sie

L1,L2L,3

Napi

ciowy Przemiennik Cz

stotliwo

ść

i - MSI

redniej mocy

z ukł. rozładowania napi

cia DC

Silnik

clamp

R +

R -

Klucz RFI

Filtr RFI

P r o s t o w n i k
w s t

p n e g o

ł a d o w a n i a

P r o s t o w n i k

G ł ó w n y

R=10om/400W

Rys.8.3. Instalacja zasilania z sieci typu IT napi

ciowego przemiennika cz

stotliwo

w układzie nap

du silnika klatkowego, z niewł

czonym filtrem RFI stopnia po

redniego

Można przyjąć zasadę, że dla przemienników o mocy powyżej 100kW należy

zamknąć włącznik uziemienia filtru RFI w stopniu pośrednim, a w przemiennikach
mniejszych mocy i krótkich kablach silnika może on być rozwarty.

Zakłócenia występujące w sieci zasilania przy wyłączonym uziemieniu filtru

RFI przemiennika średniej mocy prowadzą do uszkodzeń tych przemienników i
uniemożliwiają właściwą pracę innych urządzeń elektronicznych zainstalowanych w
pobliżu. Na rys. 8.4 przedstawiono zarejestrowane w rzeczywistych warunkach
zakłócenia napięcia zasilania przemiennika z wyłączonym filtrem RFI, wskutek
prądów upływów pojemnościowych. Przeprowadzone przez autora badania
symulacyjne potwierdzają zależność pomiędzy wielkością pojemności upływu a
amplitudą przepięć w napięciu zasilania (rys. 8.5).

Uziemienie filtru RFI może prowadzić do wzrostu napięcia w obwodzie DC

przemiennika powyżej dozwolonych wartości, które mogą doprowadzić do jego
uszkodzenia. W czasie doziemienia jednej fazy napięcia zasilania przemiennika,
napięcie w stopniu pośrednim może osiągnąć wartość 2x U

. Aby ograniczyć to

niebezpieczeństwo można w sieciach IT z przemiennikami mniejszych mocy nie
uziemiać filtru RFI.

-133-

Jeśli przemiennik częstotliwości ma wyłączony filtr RFI (odłączony od

uziemienia) to nie oznacza to, że można uznać zasilanie przemiennika jako separowane
względem ziemi. Doziemienie wyjściowego napięcia fazowego przemiennika
spowoduje przepływ zwiększonego wysokoczęstotliwościowego impulsowego prądu
upływów pojemnościowych od miejsca doziemienia przez transformator do wejść
mocy przemiennika. Takie doziemienie nie jest rejestrowane przez urządzenia kontroli
stanu izolacji sieci IT, zwanych izometrami, (rys. 8.1). Wartości tych prądów nie
spowodują też zadziałania wewnętrznych zabezpieczeń przemiennika przed
doziemieniem. W przemiennikach małych mocy prądy doziemne na wyjściu
przemiennika powodujące ich zadziałanie mają wartości ok. 600mA.

Rys.8.4. Zmierzone przepi

cia na zasilaniu napi

ciowego przemiennika cz

stotliwo

ci bez

uziemionego

filtru

RFI

(napi

cia

dzyfazowe).

Przemiennik

napi

ciowy

350kW/500V, ekranowany kabel silnika o długo

ci ok. 50m

Rys.8.5. Przepi

cia na zasilaniu napi

ciowego przemiennika cz

stotliwo

ci bez wł

czonego

uziemienia filtru RFI zasilanego sieci

typu IT - 3x500V, uzyskane w symulacji przy

zało

eniu sprz

ęż

enia pojemno

ciowego mi

dzy wej

ciem zasilania i wyj

ciem mocy

przemiennika o warto

ci 10nF

Filtr RFI obwodu pośredniego ma ważną rolę przy tłumieniu zakłóceń

powodowanych pracą części falownikowej przemiennika częstotliwości. Nie należy go
mylić wejściowym filtrem RFI, zwykle nie stosowanym w sieciach IT, z powodu
nieskutecznie filtrowanych zakłóceń wspólnych,(odłączone od uziomu kondensatory
C

). Kable silnikowe są zwykle ekranowane, np. z grupy kabli górniczych. Ekran kabla

jest zwykle dwustronnie uziemiony, jednak dla kabli dłuższych, powyżej 50m, należy
rozważyć jednostronne uziemienie ekranu kabla tylko przy przemienniku
częstotliwości. Ekranowane kable silnikowe cechują się zwiększonymi prądami
upływu doziemnego w stosunku do kabli nieekranowanych. Przy ich większych
długościach i przekrojach, wzrastają zakłócenia powodujące przepięcia napięcia
zasilania, dlatego w przemiennikach większych mocy istnieje konieczność włączenia
filtru RFI. Częstotliwość przepięć napięcia zasilania wynika z częstotliwości

-134-

przełączania tranzystorów IGBT falownika przemiennika częstotliwości i zwykle w
przemiennikach napędowych wynosi 3-4.5kHz.

8.3. WŁĄCZONY

FILTR

RFI

STOPNIA

POŚREDNIEGO

PRZEMIENNIKA

ZWIĘKSZONE

ZAGROśENIE

PORAśENIOWE.

Włączenie filtru RFI stopnia pośredniego praktycznie eliminuje zakłócenia

zasilania powodowane upływami pojemnościowymi. Tym samym poprawia się EMC
(Electro Magnetic Capability) w otoczeniu instalacji napędu przemiennikowego,
(rys. 8.6).

Przy załączonym filtrze RFI potencjał punktu zwarcia uzwojeń stojana silnika

ma wartość średnią równą potencjałowi ziemi. Jednak chwilowe napięcie między
uziomem a zwartymi uzwojeniami silnika ma przebieg fali prostokątnej o amplitudzie
równej połowie napięcia U

, (rys 8.7).

Stosowane powszechnie izolowanie łożysk silnika nie zmniejsza impulsowego

prądu upływu doziemnego powstającego wskutek tego napięcia. Izolowanie łożyska
uniemożliwia przepływ prądów wyładowczych EDM

(

Electric Discharge Machining

)

między bieżniami łożyska nie dopuszczając do jego przyśpieszonego zużycia.

Wyjściowe napięcie fazowe przemiennika, ma charakter fali prostokątnej a

szerokość impulsów zależy od wartości częstotliwości harmonicznej podstawowej tego
napięcia. Wystąpienie doziemiena na zasilaniu silnika spowoduje przepływ
impulsowego prądu zwarciowego przedstawionego na rys. 6.

W typowych warunkach eksploatacji przemienników napięcia te nie stanowią

zagrożenia dla użytkownika, gdyż są to miejsca instalacji, które są niedostępne bez
usunięcia zabezpieczeń zewnętrznych, czyli uziemionych obudów urządzeń.

Udc

2 x Ld

Sie

L1,L2,L3

Napi

ciowy Przemiennik Cz

stotliwo

ść

i - MSI

Silnik

RFI

Rys.8.6. Przy wł

czonym filtrze RFI, pełne zwarcie doziemne silnika powoduje przepływ pr

impulsowego w p

tli zwarcia, co powinno spowodowa

zadziałanie wewn

trznych

zabezpiecze

przemiennika, zatrzymanie pracy falownika i pozostawienie silnika w

stanie beznapi

ciowym (hamowanie wybiegiem)

AM1.I [A]

t [s]

-2k

-1k

-0.5k

0.5k

75m

80m

76m

77m

78m

79m

-135-

Vm.V [V]

t [s]

0.4k

-0.4k

-0.2k

0.2k

70m

80m

72m

74m

76m

78m

Vo.V [V]

t [s]

0.4k

-0.4k

-0.2k

0.2k

70m

80m

72m

74m

76m

78m

Rys.8.7. Napi

cie mi

dzy uziemieniem a miejscem zwarcia uzwoje

stojana silnika – Vm[V]

oraz mi

dzy uziemieniem i wyj

ciem mocy przemiennika – Vo[V]. Cz

stotliwo

ść

harmonicznej podstawowej napi

cia silnika wynosi 50Hz, modulacja PWM, przy

napi

ciu mi

dzyfazowym zasilania przemiennika U

L1-L2

=500V.

Przy wystąpieniu doziemienia po stronie silnika w pętli zwarcia występuje

przewodzący w danej chwili tranzystor IGBT falownika i kondensator filtru RFI,
rys. 6. Prąd zwarciowy ograniczony jest jedynie impedancją kondensatora filtru RFI
dla częstotliwości przełączania kluczy falownika f

. Przy typowych wartościach

kondensatorów filtru RFI: C3=C4=0.15µF, prądy zwarciowe mogą osiągnąć wartość
skuteczną do kilku amperów. Układ ochrony przemiennika powinien go wykryć i
spowodować zablokowanie tranzystorów mocy falownika. Przemienniki większych
mocy mogą jednak nie rozpoznawać tego doziemienia ze względu na relatywnie małą
wartość prądu doziemnego w stosunku do prądu nominalnego przemiennika.

Z przeprowadzonej analizy wynika, ze skutecznym środkiem ochrony

przeciwporażeniowej jest poprawne wykonanie uziemień ochronnych obudowy
przemiennika i silnika, gdyż inne zabezpieczenia mogą okazać się nieskuteczne. W
zespołach napędowych większych mocy poziom zakłóceń wzrasta proporcjonalnie do
ilości zastosowanych przemienników, dlatego włączanie filtru RFI obwodu
pośredniego ma podstawowe znaczenie dla właściwej pracy instalacji (rys. 8.8).

-136-

NPC

C
C
C

p0a

p0b

p0c

L
L
L

p1a

p1b

p1c

p1m

pim

yic

pnm

Izolowany podwójnie

Rpv, Lpv, Cpv - elementy paso

ytnicze: rezystancje, indukcyjno

ci i pojemno

ci;

NPC - napi

ciowy przemiennik cz

stotliwo

Tr 6kV/0.5kV

Rys.8.8. Miejsca

rozpływu

dów

upływów

pojemno

ciowych

stacji

zasilania

wielosilnikowego nap

du z przemiennikami zasilanych jednym transformatorem z sieci

8.4. WŁĄCZONY

FILTR

RFI

STOPNIA

POŚREDNIEGO

PRZEMIENNIKA

ZAGROśENIE

USZKODZENIA

PRZEMIENNIKA

PRZY

DOZIEMIENIU

FAZY

NAPIĘCIA

ZASILANIA

Przy włączonym filtrze RFI obwodu pośredniego istnieje niebezpieczeństwo

uszkodzenia napięciowego przemiennika częstotliwości, gdy wystąpi doziemienie na
jego zasilaniu.

Ponieważ pojedyncze doziemienie instalacji zasilania nie stwarza zagrożenia

przeciwporażeniowego, a dla zmniejszenia strat gospodarczych często ważne jest, aby
przerwa w zasilaniu wydzielonego zespołu maszyn, nastąpiła w sposób kontrolowany.
Dalsze działania z wykrytym doziemeiniem są uzależnione od wewnętrznych instrukcji
zakładowych.

Doziemienie fazy napięcia zasilania zwykle występuje, gdy z transformatora

zasilającego przemiennik także zasilane są inne odbiorniki, np. zwalniaki silników
(rys. 8.9). Doziemienie na zasilaniu jest szczególnie niebezpieczne dla przemiennika
jeśli występuje w chwili podania napięcia na jego obwód mocy. W momencie zasilenia
przemiennik jest nieobciążony, a zabezpieczenia elektroniczne przemiennika przed
nadmiernym napięciem baterii kondensatorów obwodu pośredniego nie są jeszcze
aktywne.

-137-

Udc

2 x Ld

Sie

L1,L2,L3

Napi

ciowy Przemiennik Cz

stotliwo

ci - MSI

Silnik B

RFI

Silnik A

Filtr RFI

Bateria DC

Rys.8.9. Doziemienie napi

cia fazowego zasilania przemiennika poprzez zał

czenie silnika A z

uszkodzon

izolacj

dzy uzwojeniem fazowym a uziemionym korpusem silnika

Jeśli przemiennik jest nieobciążony, to doziemienie fazy zasilania może

spowodować wzrost maksymalnego napięcia na kondensatorach filtru RFI (C3, C4) do
wartości napięcia baterii kondensatorów stopnia pośredniego przemiennika U

. W

konsekwencji to może doprowadzić do naładowania baterii elektrolitycznych
kondensatorów DC (C1, C2) do wartości dwukrotnie wyższej od normalnych
warunków pracy przemiennika. W takiej sytuacji nastąpi przekroczenie dopuszczalnej
wartości napięcia dla stopnia pośredniego przemiennika i uszkodzenie falownika lub
baterii kondensatorów. Przebieg napięcia na kondensatorach filtru FRI C3 i C4 oraz na
baterii kondensatorów stopnia pośredniego przemiennika przy doziemieniu napięcia
fazowego przedstawia rys. 8.10. Powstaje efekt pompowania energii przez
kondensatory filtru RFI do baterii kondensatorów. Szybkość narastania napięcia na
baterii kondensatorów DC przemiennika zależy pojemności baterii i pojemności
kondensatora filtru RFI. W przeprowadzonej symulacji napięcie baterii kondensatorów
elektrolitycznych w obwodzie DC (pojemność 600µF) nieobciążonego przemiennika,
zasilanego napięciem 3x500V, osiągnęło 0.9kV po 10 okresach napięcia zasilania
(C3=C4=15 µF). Na podstawie danych z symulacji można wyliczyć, że napięcie baterii
przemiennika małej mocy (C

=600µF, C

3,4

=0.15µF) osiągnie wartość 900V po 20

sekundach. To samo napięcie wystąpi na baterii kondensatorów przemiennika o mocy
150kW, z pojemnością baterii DC 36mF i pojemnością kondensatora filtru RFI 0.15µF,
po czasie. 20min. od podania napięcia na obwód mocy. Z obliczeń wynika, że
przemienniki małej mocy narażone na szybki wzrost napięcia baterii kondensatorów
obwodu DC ponad dozwoloną wartość przy doziemieniu napięcia fazowego. Może to
prowadzić do ich zwiększonej awaryjności, dlatego nieuziemianie filtru RFI obwodu
pośredniego jest tu uzasadnione.

-138-

C.V [V]

C3.V [V]

C4.V [V]

t [s]

0.9k

0.2k

0.4k

0.6k

0.8k

0.1

20m

40m

60m

80m

C.V [V]

C3.V [V]

C4.V [V]

t [s]

0.9k

0.2k

0.4k

0.6k

0.8k

0.1

20m

40m

60m

80m

Rys.8.10. Symulacja przebiegu napi

cia baterii kondensatorów stopnia DC, o pojemno

600

F, nieobci

ąż

onego przemiennika zasilanego z sieci IT 3x500V, przy pełnym

doziemieniu fazy napi

cia zasilania i wł

czonym filtrze RFI, dla C3=C4=15

Odpowiednio dla przemiennika nieobci

ąż

onego i obci

ąż

onego

Włączenie odpowiednio dużego obciążenia przemiennika powoduje szybkie

rozładowywanie nadmiarowej energii dostarczanej do baterii kondensatorów z
pojemności filtru RFI i nie następuje efekt wzrostu napięcia baterii przy doziemieniu
napięcia fazowego zasilania przemiennika. Dla ograniczenia wpływu doziemień na
zasilaniu przemiennika można stosować różne metody rozładowywania baterii DC,
jeśli jej napięcie przekroczy dopuszczalną wartość. W tym celu można wykorzystać
przerywacz prądu przemiennika. Jeśli nie jest on stosowany do wytracania energii w
czasie hamowania generatorowego silnika, to wystarczy do niego dołączyć rezystor:
20kΩ/24W dla C

RFI

=0,15uF i U

L1-L2

=500V [



, gdy



=R, to

=(U

)

/R, gdzie U

=1,73x1.42xU

]. Jeśli tak mały rezystor nie jest właściwie

identyfikowany jako obciążenie przerywacza przemienników większych mocy, to
można powiększyć i zastosować np. 10Ω/400W. W innym przypadku można ten
rezystor dołączyć na stałe do zacisków wyjściowych prostownika, kosztem sprawności
przemiennika . Można też uaktywnić w przemienniku funkcje podgrzewania silnika
prądem stałym w czasie jego postoju, co powoduje rozładowywanie baterii DC
przemiennika. Jeśli dostępna jest możliwość blokowania przepływu prądu przez
wejściowy prostownik- główny, to należy zablokować przewodzenie prądu w
prostowniku powyżej określonej wartości napięcia w obwodzie CD przy
nieobciążonym przemienniku, czyli na postoju silnika.

8.5. WSPÓLNA SIEĆ NAPIĘCIA STAŁEGO PRZEMIENNIKÓW

NAPIĘCIOWYCH

W wielosilnikowych układach napędowych z przemiennikami częstotliwości

często istnieje potrzeba zastosowania połączenia obwodów stałonapięciowych
przemienników częstotliwości. Takie rozwiązanie może być stosowane dla napędu
dwusilnikowego o dużych momentach bezwładności, gdy w tym samym czasie wał
napędowy jednego silnika jest hamowany, a drugiego rozpędzany. Wówczas jeden
silnik wytwarza moment silnikowy M

, a drugi moment generatorowy M

. (rys.8.11).

-139-

Między przemiennikami częstotliwości z połączonymi obwodami stałonapięciowymi
następuje wymiana energii (load sharing), co prowadzi do odzysku energii silnika
pracującego generatorowo.

Przemienniki

stotliwo

Silniki

Sterownik

PLC

3 x500V

Panel

operatorski

Enkodery

NPC

Siec DC

Mb J(dv/dt)

Waly napedowe

J(dv/dt)

Rys.8.11. Przykładowa realizacja dwusilnikowego nap

du z przemiennikami napi

ciowymi

o poł

czonych obwodach stałonapi

ciowych. Silnik MA hamuje jeden wał nap

dowy, a

silnik MB rozp

dza drugi wał nap

dowy maszyny. Hamowanie i rozruch wałów

nap

dowych rozpoczynaj

w tym samym czasie

Przy braku takiej sieci konieczne byłoby zastosowanie przerywacza prądu i

wytracenia tej energii na rezystorze hamowania. W napędach wchodzących często w
tryb pracy generatorowej stosowane są układy przetwarzania energii napięcia stałego
obwodu pośredniego przemiennika na napięcie przemienne i jej zwrot do sieci
zasilania.

Zastosowanie układu wspólnej sieci DC przemienników nie jest rozwiązaniem

kosztownym, a zapewnia poprawną pracę przemienników w sieci IT przy
występowaniu omawianych zakłóceń. W grupie kilku przemienników połączonych
siecią DC wystarczy jeden przemiennik z przerywaczem prądu i rezystorem
rozładowczym np. 10Ω/400W, aby wyeliminować niebezpieczeństwo ich uszkodzeń z
powodu doziemień zasilania lub przepięć. Zagrożenia poprawnej pracy przemienników
napięciowych zostają praktycznie wyeliminowane przy zastosowaniu rozwiązań
przedstawionych w opracowaniu. Podobne trzeba postępować w przypadku zasilania
przemienników napięciowych z sieci TT.

Należy zaznaczyć, że zagadnienia EMC ujęte w normach dotyczą sieci TN.

Jednak praktyczne doświadczenia autora i przeprowadzona analiza potwierdzają, że
filtr RFI obwodu pośredniego przemiennika napięciowego jest tak samo skuteczny w
sieciach IT. Przy pracy przemienników częstotliwości z odłączonym filtrem RFI
obwodu pośredniego należy dodatkowo rozważyć czy zachowane jest zasilanie typu
PELV w obwodach sterowania przemiennika częstotliwości. W opracowaniu nie
omawiano wpływu wejściowego filtru RFI na pracę przemiennika, gdyż zwykle nie
jest on stosowany w układzie sieciowym IT. Jeśli jednak przemiennik jest w taki filtr
wyposażony to tylko poprawia on EMC powodując jednak zwiększenie prądów
upływu na zasilaniu przemiennika. Jest to interpretowane przez izometry (Isolation
Monitoring Devices) jako zmniejszenie rezystancji izolacji. Ponadto jest ryzyko

-140-

uszkodzenia kondensatorów Cy tego filtru przy doziemieniu napięcia fazowego
zasilania. Z tych powodów często trzeba te filtry odłączyć od uziemienia.

8.6. PODSUMOWANIE

Intensywny rozwój nowoczesnych układów napędowych ma duży wpływ na

gospodarkę krajów rozwiniętych. Wpływ ten stale się zwiększa, dając przy tym
znaczne oszczędności związane z zapotrzebowaniem na energię elektryczną.
Istotnym staje się więc znajomość projektowania i wykonywania układów
napędowych zgodnie z wymogami międzynarodowych norm dotyczących
kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Umiejętność konstruowania nowych,
coraz doskonalszych układów napędowych, prowadzi do zmniejszenia uciążliwości
ich stosowania, a tym samym do coraz szerszego ich użytkowania.

Wymagania dotyczące uzyskania przez układ napędowy odpowiedniego

poziomu kompatybilności elektromagnetycznej, wpływają na zwiększenie kosztów
układu, należy jednak pamiętać, że koszty te są dużo mniejsze w fazie projektu niż
jako późniejsze zmiany w gotowym układzie.

Zagadnienia kompatybilności elektromagnetycznej są istotne zarówno dla

małych, jak i dużych firm, zwłaszcza przy wprowadzaniu nowych przemienników
do układów napędowych. Aby sprostać konkurencji, muszą one spełniać wiele
wymagań, w tym także związanych z EMC. Te ostatnie nabierają coraz większego
znaczenia, ponieważ występują jako wymagania obligatoryjne w dyrektywach Unii
Europejskiej.

Układy

napędowe

zaprojektowane

skonfigurowane

bez

uwzględnienia postanowień norm światowych (IEC, EN) omówionych w niniejszej
pracy, nie będą miały w przyszłości żadnych szans zbytu zarówno w Unii
Europejskiej, jak i w innych krajach rozwiniętych.

W początkowej części pracy opisano zasady budowy przemiennikowego

układu napędowego, zgodnego z wymogami EMC. Omówione zostały również
parametry sieci zasilającej i ich wpływ na układ napędowy, jak też główne
przyczyny pogarszania współpracy układu: sieć zasilająca – przemiennik
częstotliwości – silnik. Jako sposoby niwelowania negatywnych czynników tej
współpracy, opisane zostały przykładowe układy zmniejszania negatywnego
oddziaływania odbiorników na sieć. W dalszej części pracy został omówiony układ
wykorzystujący filtr LC, do uzyskania sinusoidalnego napięcia silnika zasilanego z
przemiennika częstotliwości PWM. Przeprowadzone badania na rzeczywistym
układzie: przemiennik częstotliwości – filtr LC – silnik, potwierdziły słuszność
stosowania filtrów LC do uzyskania sinusoidalnego napięcia zasilania silnika.

Kolejne

rozdziały

opracowania

zostały

poświęcone

napięciowym

przemiennikom częstotliwości PWM o ulepszonej współpracy z silnikiem. Po
porównaniu własności przemienników o stałej, jak też regulowanej wartości
napięcia stałego w obwodzie pośrednim, zostały przedstawione korzyści z
zastosowania rozwiązania z regulowanym napięciem w obwodzie pośrednim.
Przedstawiono również koncepcję wykorzystania trapezowego impulsu sterowania
zaworów falownika, dającą dodatkowe ograniczenie wartości du/dt i U

-141-

Zaproponowane rozwiązania umożliwiają pracę silnika przy zmniejszonej
zawartości wyższych harmonicznych w napięciu zasilania. Końcowa część
opracowania została poświęcona modelowaniu układu wejściowego przemiennika
częstotliwości w oprogramowaniu SIMPLORER. Z uwagi na ograniczoną ilość
elementów, wersji demo, nie możliwa była symulacja pełnego układu
przemiennika. Symulacja została ograniczona do zbadania wpływu wartości
parametrów filtru LC, na wyjściu trójfazowego prostownika diodowego, na
tłumienność amplitudy pulsacji napięcia i prądu wyjściowego prostownika.
Obciążenie rezystancyjne filtra LC obwodu pośredniego symuluje pracę falownika.

Opracowanie zawiera wnioski i zalecenia do budowy układów napędowych z

przemysłowymi

przemiennikami

napięciowymi

zapewniającymi

spełnienie

wymagań EMC w stosunku do sieci zasilania jak i silnika.

Nowe propozycje budowy układu mocy przemiennika z regulowanym

napięciem obwodu pośredniego może stać się w przyszłości powszechnie
stosowanym

rozwiązaniem

napędach

ograniczonych

wymaganiach

dynamicznych.

8.7. LITERATURA DO ROZDZIAŁU

[1]. J.Szymański:

Bezpieczeństwo

użytkowania

instalacji

przemysłowych

napięciowymi przemiennikami częstotliwości. ElektroInfo 10/2006
[2]. J. Szymański: Harmoniczne prądu wytwarzane przez prostowniki wejściowe
przemienników częstotliwości. Politechnika Radomska, Prace Naukowe Elektryka nr
2(8),2005
[3]. J. Szymański:

Ochrona

przeciwporażeniowa

instalacji

napędowych

napięciowymi przemiennikami częstotliwości zasilanymi z sieci TN-S do 1kV.
Komel’2004 – XIII Seminarium Techniczne. Problemy Eksploatacji Maszyn i
Napędów Elektrycznych. Ustroń, 19-21.V.2004
[4]. A. Kępski, B. Smoleński: Prądy łożyskowe w układach napędowych z
falownikami PWM. Napędy i Sterowanie nr 12/2006
[5]. S. Ogasawara, H. Akagi: Modeling and Damping of High-Frequency Leakage
Current in PWM Inverter-Fed AC Motor Drive Systems. IEEE Trans. Ind. Applicat.,
vol. 32, pp. 1105-1114, Sep. 1996
[6]. K. Bimalk Bose: Modern power electronics and ac drives. Prentice Hall PTR 2002

-142-

9. BIBIOGRAFIA UZUPEŁNIAJĄCA

[1 ] Winter R.: Kompatybilność elektromagnetyczna napędów elektrycznych z przekształtnikami
częstotliwości. Napędy i Sterowanie 1999.
[2 ] Koczara W.: Metody i układy ograniczenia negatywnego oddziaływania napędu na sieć i na inne
odbiorniki. Materiały konferencyjne ONS’95, Listopad 1995.
[5 ] Winter R.: Ograniczenie emisji zakłóceń elektromagnetycznych w napędach z przekształtnikiem
częstotliwości. Napędy Przemysłowe NP’99.
[6 ] Kowalski Z.: Cechy i parametry jakościowe energii elektrycznej. Jakość i Użytkowanie Energii
Elektrycznej 1995.
[7 ] Pierzgalski W.: Diagnostyka odkształceń przebiegów napięć i prądów w sieciach elektroenergetycznych
niskiego i średniego napięcia. Napędy i Sterowanie – Elektroinstalacje Gdańsk 2000.
[8 ] Nowak M.: Jakość energii elektrycznej – problem dla energoelektroniki przełomu stuleci. Napędy i
Sterowanie 1999.
[9 ] Sroka J.: Zasady projektowania, budowy i montażu urządzeń, oraz systemów przemysłowych
przyjaznych kompatybilności elektromagnetycznej. Kompatybilność Elektromagnetyczna w Przemyśle.
Warszawa 08.06.2000.
[10 ] Przybylski J., Szulc Z.: Określenie zawartości harmonicznych w napięciu i prądzie zasilającym
zakłady przemysłowe. Napędy Przemysłowe NP’99.
[11] Strzelecki R., Supronowicz H.: Kompensacja wyższych harmonicznych prądów w układzie
hybrydowym złożonym z filtrów biernych. Przegląd elektroenergetyczny 1998.
[12] Borowski W.: Poprawa jakości energii elektrycznej. Wiadomości Elektrotechniczne nr 12/788 1999.
[13] Gmyrek Z., Jabłoński M.: Układy zmniejszające oddziaływanie prostownika wejściowego falownika
MSI na sieć zasilającą. SENE’99.
[14] Mitew E., Szymański J.: Napięciowy przemiennik częstotliwości o ulepszonej współpracy z silnikiem.
SENE’99.
[15] Szymański J.: Napięciowe przemienniki częstotliwości PWM z regulowanym napięciem w obwodzie
pośrednim. Politechnika Radomska, ZMiUE 2000.
[16] Koczara W., Seliga R.: Układ regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego klatkowego
zasilanego z falownika wytwarzającego napięcie sinusoidalne. SENE’99.
[17 ] Mosiński F.: Wzrost narażeń napięciowych w silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników.
Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna SEP Łódź 7-8.05.98.
[18 ] Materiały dostępne w internecie na stronie http://www.simplorer.com.
[19 ] Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne
Warszawa.
[20 ] Minksztym T.: Optymalne sterowanie ruchem w zastosowaniach przemysłowych. Seria przetwornic
częstotliwości VLT 5000 ze sterownikiem ruchu SyncPos. PAR nr.3/2000.
[21 ] Szymański J.: Minimalizacja strat tranzystorów mocy w układzie falownika napięcia o stałej
częstotliwości wyjściowej. Rozprawa Doktorska Politechnika Warszawska 1987.
[22 ] Szymański J.: A method and control system for the three-phase asynchronic motor. Patent nr
PL275748.
[23 ] Charoy A.: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne
Warszawa.
[24 ] Przetwornice częstotliwości VLT 5000 Dokumentacja Techniczno Rozruchowa firmy Danfoss.
[25 ] Szymański J.: Harmoniczne prądu w sieciach zasilania.
[26 ] Harmonics, No.: MN.90.F1.02 – Danfoss A/S.
[27 ] Projekt celowy nr 10 T12 022 2000 C/5273 „Modernizacja układu jezdnego koparek eksploatowanych
w kopalniach węgla brunatnego (serii SRs 1200) – 2001.06.18
[28 ] Szymański J.: Zdalna transmisja danych i sterowanie w czasie rzeczywistym napędów z
przemiennikami częstotliwości firmy Danfoss. Napędy i Sterowanie - 4/2001.
[29 ] Szymański J.: Modernizacja układu jezdnego zwałowarek i koperek w kopalniach węgla brunatnego z
zastosowaniem silników klatkowych zasilanych przemiennikami częstotliwości. V konferencja
“Komputerowe Systemy Wspomagania Nauki, Przemysłu i Transportu – TransComp”

– Zakopane 5-

7.12.2001.
[30 ] LoadSharingvlt5000_MI50N202 – Opracowanie wewnętrzne f. Danfoss.
[31 ] Hansen S.: New Topologies for Connecting Power Electronic Converters to the Utility Grid. Danfoss
Professor Programme in Power Electronics and Drives 1997-2000.

-143-

[32 ] Przybylski J., Szulc Z.: Określenie zawartości harmonicznych w napięciu i prądzie zasilającym
zakłady przemysłowe. Napędy Przemysłowe NP’99.
[33 ] Białas A.: Bezpieczniki i wyłączniki nadprądowe. Legrand Fael - Opracowanie wewnętrzne,
opublikowane w miesięczniku Elektrosystemy, 2002.
[34] Hansen S. i inni: Line Side Harmonic Reduction Techniques of PWM Adjustable Speed Drives,
Danfoss Drives A/S – 2002.
[35 ] Hansen S. i inni: Simple and advanced methods for calculating Six-Pulse diode rectifier line-side
harmonics. Danfoss Drives A/S – 2002.
[36 ] Szymański J.: Badania skuteczności zabezpieczeń obwodów mocy przemysłowych przetwornic
częstotliwości. Przegląd Elektrotechniczny 2/2000.
[37 ] Michalski A., Szczucki F. i inni: Ochrona przeciwporażeniowa przed dotykiem pośrednim w układach
energoelektronicznych, Śląskie Wiadomości Elektryczne.
[38 ] Pastuszka R., Trajdos M.: Jakie kable lubią falowniki? Materiały techniczne – HELUKABEL 2003 –
www.helukabel.pl
[39 ] PN-IEC 60364-x-xx Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. (Wyszukiwanie norm:
http://www.pkn.com.pl).
[40 ] The Danfoss Harmonic Filter AHF 005 and AHF 010.
[41 ] Szymański J. Harmoniczne prądu wytwarzane przez prostowniki wejściowe przemienników
częstotliwości. Konferencja Naukowo Techniczna TRANSCOMP, Zakopane, Grudzień-2003, PRACE
NAUKOWE ELEKTRYKA NR 1(6) 2003 – PR.

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:

więcej podobnych podstron